УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО ДОРНОВАНИЯ ПРУЖИНЯЩИМ ДОРНОМ
DEVICE FOR STATIC-PULSE HARDENING BY SPRING-LOADED BURNISHING TOOL

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам дорнования, калибрования, деформирующего протягивания и упрочнения металлических внутренних поверхностей отверстий деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием со статико-импульсным нагружением деформирующего инструмента.
Известно устройство и способ для статико-импульсного дорнования отверстий методом протягивания, содержащее патрон, в котором закреплен деформирующий инструмент, при этом он снабжен опорным фланцем для установки обрабатываемой заготовки, гидравлическим генератором импульсов для вырабатывания периодической импульсной нагрузки, волноводом в виде ступенчатого стержня со ступенями малого и максимального диаметров и бойком в виде втулки, который установлен на ступени малого диаметра ступенчатого стержня с возможностью продольного перемещения, а патрон установлен на волноводе, при этом втулка и ступень максимального диаметра ступенчатого стержня выполнены с поперечными сечениями одинаковой площади для передачи деформирующему инструменту периодической импульсной нагрузки вдоль его продольной оси, а соотношение длины втулки к длине ступени максимального диаметра ступенчатого стержня равно единице [1, 2].
Известное устройство и способ отличается ограниченными технологическими возможностями, недостаточно большим натягом, незначительной глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой внутренней поверхности, низким КПД и большой энергоемкостью оборудования.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей дорнования за счет применения статико-импульсной нагрузки на специальный пружинящий деформирующий элемент, при прохождении которого возникают окружные растягивающие и радиально сжимающие напряжения, позволяющие значительно увеличить натяг и глубину упрочненного слоя, повысить степень упрочнения и снизить высоту микронеровностей обрабатываемой поверхности, а также увеличение производительности, КПД и снижение энергоемкости процесса.
СТ
ИМ
ПР
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для статико-импульсного дорнования на станках, содержащего дорн с деформирующим элементом, гидроцилиндр, в котором расположены боек и волновод, выполненный с возможностью приложения к нему статической нагрузки Р и посредством бойка периодической импульсной нагрузки Р, гидравлическим генератором импульсов для питания гидроцилиндра, при этом волновод и боек выполнены в виде стержней одинакового диаметра, причем деформирующий элемент представляет собой винтовую коническую пружину с наружной рабочей поверхностью в виде усеченного конуса с углом φ=3…5°, с деформирующими витками в количестве не менее трех, из которых первый и последний выполнены жесткими кольцевыми витками, при этом диаметр d проволоки, высота L деформирующего элемента в сжатом состоянии и шаг Р пружины определяются по формулам:
, мм;
ПР
CТ
ИМ
CТ
ИМ
ИЗ
отв
где d - диаметр проволоки, мм; (P+P) - суммарная (статическая P и импульсная P) сила дорнования, Н; f - коэффициент трения между элементом и обрабатываемой поверхностью; в зависимости от обрабатываемого материала и технологической смазки f=0,05…0,14; [σ] - допустимое напряжение материала проволоки при изгибе, МПа; D - диаметр обрабатываемого отверстия, мм;
ПР
L≈d+b+i/(2tgφ), мм;
CТ
ИМ
где L - высота деформирующего элемента в сжатом состоянии (при действии статической P и импульсной P нагрузок), мм; b - ширина контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью, зависящая от диаметра проволоки деформирующего элемента, натяга i (мм) и толщины стенки обрабатываемой заготовки;
мм;
B
где D - наружный диаметр витка пружины, мм;
CT
CT
ИМ
при этом сила пружины больше статической нагрузки Р но меньше суммарной статической плюс импульсной (Р+Р) нагрузки.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.
CT
CT
ИМ
На фиг.1 представлена схема чистовой обработки отверстия дорнованием со статико-импульсным нагружением пружинящего дорна; на фиг.2 - общий вид конструкции дорна с пружинящим деформирующим элементом, частичный продольный разрез; на фиг.3 - пружинящий деформирующий элемент дорна, установленный на цилиндрическом стержне оправки, в свободном ненагруженном состоянии перед обработкой, частичный продольный разрез; на фиг.4 - пружинящий деформирующий элемент дорна в нагруженном статической силой Р положении; на фиг.5 - пружинящий деформирующий элемент дорна в нагруженном статической Р и импульсной Р силой положении; на фиг.6 - пружинящий деформирующий элемент дорна в свободном ненагруженном состоянии перед обработкой, второй вариант установки среднего витка деформирующего элемента на коническом стержне оправки, частичный продольный разрез; на фиг.7 - один средний виток пружинящего деформирующего элемента в свободном и нагруженном положениях.
ОТВ
CT
ИМ
Предлагаемое устройство предназначено для чистовой обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД) с калиброванием и упрочнением металлических внутренних цилиндрических поверхностей 1 отверстий диаметром D заготовок 2 из сталей и сплавов деформирующим инструментом - дорном 3, к которому прикладывают статическую Р и импульсную Р нагрузку с помощью силовых гидроцилиндров 4.
Обрабатываемую заготовку устанавливают на опорной плите 5 станка 6.
CT
ИМ
Устройство состоит из деформирующего инструмента - дорна, содержащего один или несколько (не показаны) деформирующих элементов 7, смонтированных на оправке 8, к которой прикладывают статическую Р и динамическую импульсную Р нагрузку с помощью силовых гидроцилиндров.
Оправка 8 предназначена для обработки сквозных отверстий и выполнена с передней направляющей втулкой 9, обеспечивающей взаимную ориентацию заготовки и инструмента, и задним хвостовиком 10.
Деформирующий элемент 7 представляет собой винтовую коническую пружину с наружной рабочей поверхностью в виде усеченного конуса с углом φ=3…5°, с деформирующими витками из проволоки в количестве не менее трех, из которых первый 11 и последний 12 выполнены жесткими кольцевыми витками.
Винтовую коническую пружину делают из проволоки, например, по ГОСТ 9389-75. Последний виток 12 становится жестким после того, как к нему приваривают (или присоединяют другим известным способом) специальное кольцо 13.
Таким же образом ужесточают и первый виток 11 пружины.
Материал проволоки деформирующего витка пружины (например, твердый сплав ВК15, ВК15М) обеспечивает высокую износостойкость инструмента и высокую изгибную прочность. При малых нагрузках на инструмент можно применять сплав ВК8.
Оправку, направляющую втулку, дистанционные втулки (не показаны) изготовляют из углеродистых сталей, закаленных до твердости HRC 40…45. В собранном виде радиальное биение деформирующих элементов относительно направляющих не превышает 0,02…0,05 мм. Это требование выполняют за счет высокой точности изготовления деталей оправки. Особое внимание уделяют стержню 14 (радиальное биение его не должно быть более 0,01…0,02 мм), дистанционным втулкам и деформирующим элементам - пружинам (торцовое и радиальное биение их относительно базового отверстия не должно быть более 0,005…0,01 мм).
Калибрующая ленточка на пружинном элементе отсутствует, но для больших диаметров отверстий (>75…150 мм) может применяться, ее ширину выбирают в зависимости от материала и толщины стенки заготовки ([5] с.399).
ПР
Диаметр d проволоки определяется из условия прочности по формуле:
, мм;
ПР
CТ
ИМ
CТ
ИМ
ИЗ
ИЗ
отв
где d - диаметр проволоки, мм; (P+P) - суммарная (статическая P плюс импульсная P) сила дорнования, Н; f - коэффициент трения между элементом и обрабатываемой поверхностью; в зависимости от обрабатываемого материала и технологической смазки f=0,05…0,14; [σ] - допустимое напряжение материала проволоки при изгибе, МПа, для твердого сплава ВК15 - [σ]=1800 МПа; D - диаметр обрабатываемого отверстия, мм.
Высота L деформирующего элемента в сжатом состоянии пружины определяется по формуле:
ПР
L≈d+b+i/(2tgφ), мм;
CТ
ИМ
В
где L - высота деформирующего элемента в сжатом состоянии (при действии статической P и импульсной P нагрузок), мм; b - ширина контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью, зависящая от диаметра проволоки деформирующего элемента, натяга i (мм) и толщины стенки обрабатываемой заготовки ([5] с.400, табл.12), или ширина цилиндрической ленточки, мм; i - натяг - основной технологический параметр процесса - это разность между диаметром деформирующего инструмент - диаметром витка D и диаметром отверстия до обработки, мм.
B
Если рассмотреть один виток пружины в свободном состоянии (см. фиг.7, выделен жирными линиями) и тот же виток - в нагруженном состоянии (см. фиг.7, изображен тонкими линиями), то можно увидеть, что, изменяя свое положение, а именно поворачиваясь на угол P относительно, например, левой части витка (согласно фиг.7), при неизменном наружном диаметре витка пружины D, наружный диаметр пружины, а следовательно, и отверстия увеличивается на величину - i. На величину натяга i влияет угол β наклона витков винтовой пружины, шаг пружины и наружный диаметр витка пружины.
Приближенно шаг Р пружины определяем по формуле:
, мм;
B
где D - наружный диаметр витка пружины, мм.
ПР
CТ
СТ
ИМ
При наибольшем сжатии пружины деформирующего элемента она должна развивать силу Р больше статической нагрузки P но меньше суммарной статической плюс импульсной (Р+Р) нагрузки на дорн при обработке (см. ниже).
ИМ
Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что на дорн воздействует шток гидроцилиндра (фиг.1), который является волноводом 15 и к которому дополнительно прикладывают периодическую импульсную Р нагрузку посредством бойка 16, расположенного в гидроцилиндре 17, питаемого гидравлическим генератором импульсов (ГГИ) (не показан) [3, 4]. Волновод 15 и боек 16 выполнены в виде стержней одинакового диаметра.
Предлагаемое устройство служит для обработки поверхностным пластическим деформированием дорнованием внутренних поверхностей отверстий. Эту операцию выполняют перемещением с натягом инструмента - дорна через обрабатываемое отверстие заготовки, при этом к дорну прикладывают статическую и импульсную, периодическую нагрузки вдоль оси инструмента и обрабатываемого отверстия.
Заготовку 1 устанавливают в опорной плите 5, например, вертикально-протяжного станка (например, мод. 7Б65) или пресса и заходной направляющей частью вводят дорн в предварительно обработанное отверстие заготовки.
ПР
СТ
ИМ
Обработку начинают с включения продольной подачи S, которая осуществляется благодаря постоянному действию на дорн волновода 15, на который, в свою очередь, действует основная статическая нагрузка Р и дополнительная периодическая импульсная нагрузка Р.
Последнюю осуществляют с помощью бойка 16, воздействующего на торец волновода 15, выполненных в виде стержней одинакового диаметра. В качестве механизма импульсного нагружения инструмента применяют гидравлический генератор импульсов (не показан) [3, 4].
СТ
ПР
Статическое нагружение Р и продольная подача S волновода осуществляется с помощью гидроцилиндра статического нагружения 18, поршень 19 которого жестко связан штоком 20 с корпусом 17 гидравлического генератора импульсов. Волновод 15 установлен в корпусе 17 с возможностью продольного осевого перемещения и содержит лыску с размещенным в ней и в выточке корпуса 17 штифтом 21, препятствующим провороту волновода относительно продольной оси и ограничивающим ход волновода.
Исходный импульс, сформированный в бойке в момент удара по волноводу, отражаясь от свободного торца бойка с противоположным знаком, доходит до волновода, одна его часть вновь отражается в боек, а другая переходит в волновод и распространяется в направлении нагружаемой поверхности. Дойдя до нагружаемой поверхности, последняя часть импульса распределяется на проходящий и отраженный. Проходящие волны деформации при равенстве длин бойка и волновода не накладываются и не разрываются, а следуют друг за другом, кроме того, при равенстве площадей контакта поперечных сечений бойка и волновода энергия удара наиболее полно реализуется в контакте с нагружаемой средой.
СТ
СТ
ПР
Деформирующий элемент дорна работает следующим образом. Во время рабочего хода при действии только статической нагрузки Р деформирующий элемент 7 входит в отверстие заборной частью, т.е. первым жестким кольцевым витком 11 (фиг.3), и, т.к. сила, развиваемая пружиной, больше, пружина, не сжимаясь, начинает пластически увеличивать диаметр отверстия. Пока действует только Р статическая нагрузка, витки пружины будут находиться на расстоянии шага Р друг от друга. Средние витки деформирующего элемента вслед за первым витком также войдут в обрабатываемое отверстие, пластически деформируя его (фиг.4), при этом сопротивление действию пружины возрастает и по величине будет приближаться к максимальному значению силы пружины Р. При действии только статической нагрузки процесс поверхностного пластического деформирования будет проходить как при обычном традиционном дорновании.
ИМ
СТ
ИМ
ПР
При ударе бойка по волноводу, помимо действия статической нагрузки, на деформирующий элемент начинает действовать импульсная Р нагрузка (фиг.5). Суммарная нагрузка (Р+Р) на деформирующий элемент преодолеет сопротивление пружины Р, и витки, сближаясь, будут радиально воздействовать на обрабатываемую поверхность отверстия. Как показано на фиг.5 и 7, пружина сжимается, уменьшается по высоте, и витки занимают поперечное положение относительно продольной оси обрабатываемого отверстия. Возникают окружные растягивающие и радиально сжимающие напряжения, позволяющие значительно увеличить глубину упрочненного слоя, повысить степень упрочнения и снизить высоту микронеровностей обрабатываемой поверхности. Предлагаемый дорн эффективно увеличивает диаметр отверстия за счет пластической деформации поверхности отверстия витками пружины деформирующего элемента. При этом происходит упрочнение поверхностного слоя, повышение качества обработанной поверхности и уменьшение длины дорна.
При обработке отверстий больших диаметров, например, 75…150 мм предлагается второй вариант установки средних витков деформирующего элемента на коническом стержне 14 оправки 8, показанной на фиг.6. С нанесением удара пружинящий деформирующий элемент, уменьшаясь по высоте, средним витком наезжает на конус стержня 14, расширяющийся кверху, и увеличивается в диаметре. Это позволяет гарантировать увеличение диаметра среднего витка пружины.
Деформирующий элемент, выполненный в виде пружины, будет плавно и постепенно, а не скачкообразно, воспринимать импульсную ударную нагрузку, что значительно снижает вибрации и, как следствие, волнистость обработанной поверхности.
После прекращения действия импульсной нагрузки пружина приходит в свое первоначальное положение, увеличивается по высоте, и витки располагаются на расстоянии шага Р друг от друга (фиг.4). При этом последний виток 12 остается на месте, а средние и первый уходят вниз (согласно фиг.4) под действием собственной силы упругости пружины.
СВ
Таким образом, с каждым ударом бойка по волноводу витки пружинящего деформирующего элемента будут сближаться и радиально воздействовать на обрабатываемую поверхность, создавая растягивающие и радиально сжимающие напряжения. При этом высота L элемента - минимальна, а шаг пружины Р=0. В промежутках времени между ударами пружина будет восстанавливать свою первоначальную высоту L, и витки пружинящего деформирующего элемента будут разводиться на расстояние шага Р друг от друга.
Глубина упрочненного слоя предлагаемым устройством увеличивается и достигает 1,5…2,5 мм, что значительно (в 3…4 раза) больше, чем при традиционном статическом дорновании.
Наибольшая степень упрочнения составляет 20…30%. В результате статико-импульсной обработки по сравнению с традиционным дорнованием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возрастает в 2…2,7 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более - в 1,5…2,2 раза.
Пример. Обрабатывали предлагаемым устройством отверстие диаметром 30 мм; заготовки из материала - сталь 18ХГТ ГОСТ 4543-74, твердость НВ 207-228, масса - 5,8 кг. Обработку производили дорном с деформирующим пружинящим элементом - пружиной, диаметром 30 мм, диаметром проволоки 6 мм, высота деформирующего элемента в сжатом состоянии 18 мм, шаг пружины 26 мм, из твердого сплава ВК15, угол φ=5°.
Обработку вели на модернизированном вертикально-протяжном станке мод. 7Б65 с использованием специального ГГИ - гидравлического генератора импульсов. Модернизация касалась перевода станка из «тянущего» режима в «толкающий», установки на станке, на толкающем штоке волновода, бойка и корпуса гидроцилиндра, осуществляющих дополнительное периодическое импульсное нагружение инструмента дорна.
np
СТ
Смазочно-охлаждающая жидкость - сульфофрезол. Скорость дорнования S=4 м/мин. Наибольшее значение энергии ударов, развиваемых ГГИ, А=280 Дж (сила удара 260 кН, скорость удара 7,2 м/с), при частоте ударов f=5…15 Гц. Натяг инструмента составлял i=0,25…1,5 мм на диаметр. Статическое нагружение осуществлялось силой до Р=40 кН.
Обработка показала, что параметр шероховатости обработанных поверхностей отверстий уменьшился до значения Ra=0,5…0,065 мкм при исходном - Ra=5…6,5 мкм, производительность повысилась более чем в три раза по сравнению с традиционным дорнованием и предварительным развертыванием, используемым на базовом предприятии АО "Ливгидромаш". Энергоемкость процесса уменьшилась в 2,2 раза. Глубина упрочненного слоя достигла 1,6…2,1 мм. Наибольшая степень упрочнения составляла 20…25%. В результате статико-импульсной обработки эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возросла в 1,9…2,3 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более - в 1,7…2,1 раза.
Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности дорнования за счет применения статико-импульсной нагрузки на специальный пружинящий деформирующий элемент, при прохождении которого возникают окружные растягивающие и радиально сжимающие напряжения, позволяющие значительно увеличить натяг и глубину упрочненного слоя, повысить степень упрочнения и снизить высоту микронеровностей обрабатываемой поверхности.
Предлагаемое устройство позволяет повысить производительность, вести обработку с большим натягом, высоким КПД и минимальной энергоемкостью оборудования.
Источники информации, принятые во внимание
1. Патент РФ №2312757. МПК В24В 39/02. Устройство для статико-импульсного дорнования отверстий методом протягивания. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Афанасьев Б.И., Фомин Д.С., Селеменев К.Ф. Заявка №2006116871/02. 16.05.2006; 20.12.2007 - прототип.
2. Патент РФ №2312754. МПК В24В 39/02. Способ статико-импульсного дорнования отверстий методом протягивания. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Афанасьев Б.И., Фомин Д.С., Селеменев К.Ф. Заявка №2006115432/02. 04.05.2006; 20.12.2007.
3. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН, 1999, №6. - С.20-24.
6
4. Патент РФ №2090342. МПК В24В 39/04. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей ППД. Заявка №95122309/02. 21.12.95. 20.09.97. Бюл. №26.
5. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2. / Под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. С.397…410.