УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДОРНОВАНИЯ ТОЧНЫХ ОТВЕРСТИЙ

Устройство для дорнования точных отверстий
Решение относится к технологии машиностроения, в частности, к устройствам поверхностно-пластического деформирования дорнованием точных отверстий деталей из сталей и сплавов с нагружением по оси деформирующего инструмента.
Известен способ статико-импульсного дорнования отверстий (патент РФ № 2462340 В24В39/02 опубл. 27.09.12), включающий приложение к деформирующему инструменту статической и периодической импульсной нагрузок с натягом вдоль обрабатываемой поверхности посредством волновода и бойка, действующего от гидроцилиндра, соединенного с гидравлическим генератором импульсов, при этом волновод и боек выполнены в виде стержней одинакового диаметра. Используют деформирующий элемент инструмента в виде винтовой конической пружины с возможностью увеличения ее наружного диаметра на величину натяга под действием суммарной статической плюс импульсной нагрузки, при этом пружину изготовляют с наружной рабочей поверхностью в виде усеченного конуса с углом φ=3…5°, с деформирующими витками в количестве не менее трех, первый и последний из которых выполняют в виде жестких кольцевых витков, причем сила пружины больше статической нагрузки и меньше упомянутой суммарной нагрузки.
Однако точность обработки, в частности соостность отверстия, обеспечивается не достаточно, так как дорнование, осуществляемое винтовой конической пружиной с деформирующими витками в количестве не менее трех, а наружный диаметр увеличивается только у средних витков, расположенными между первым и последним жесткими кольцевыми витками, недостаточно обеспечивает равномерность натяга вдоль обрабатываемой поверхности.
Известен способ базирования заготовки при ее дорновании со сжатием (патент РФ № 2356706 B23D 43/02 опубл. 27.09.12), при котором вначале заготовку базируют по наружной поверхности и опорному торцу на опоре для дорнования, а затем - по отверстию и опорному торцу на этой же опоре путем введения в отверстие заготовки рабочего конуса подпружиненного в осевом направлении дорна и последующего совмещения опорного торца заготовки с опорной плоскостью опоры, которое контролируют с помощью закрепленного на опоре измерительного прибора, контактирующего с опорным торцом, при этом силу воздействия подпружиненного дорна на заготовку определяют исходя из условия отсутствия перекоса с учетом силы воздействия измерительного прибора на заготовку, наружного радиуса заготовки и радиуса, на котором с ней контактирует измерительный прибор, и веса заготовки.
Однако точность обработки отверстия донованием снижается при смене нескольких поверхностей базирования, так вначале заготовку базируют по наружной поверхности и опорному торцу на опоре для дорнования, затем - по отверстию и опорному торцу на этой же опоре с последующим совмещением опорного торца заготовки с опорной плоскостью опоры.
Известен цилиндрический стержень (толкатель) (Скворцов В.Ф., Арляпов А.Ю. Дорнование глубоких отверстий малого диаметра. Монография. - Томск: ТПУ. 2005, с. 39), который вставлен с зазором в цилиндрическое отверстие (стенки отверстия являются абсолютно жесткими) и нагружен осевыми сжимающими силами, при увеличении которых на толкателе формируются полуволны (три и более), а его контакт со стенками отверстия происходит в нескольких точках (трех и более).
Однако в описании механического поведения технологической системы, включающей схемы деформаций размещенного с зазором в отверстии стержня под действием осевой сжимающей силы не учтен вариант с применением не менее трех стержней, размещенных с зазором в отверстии и точность этой технологической системы.
В качестве прототипа принято устройство для дорнования (патент на полезную модель РФ № 82439 B23P 9/00 опубл. 27.04.2009. Бюл. № 12), содержащий корпус, направляющее устройство, выполненное в виде закрепленной на корпусе цилиндрической втулки с установленным в ней подпружиненным стаканом с центральным направляющим отверстием для штанги, штангу и дорн, в полости корпуса параллельно оси втулки смонтированы колонны, на которые с возможностью перемещения надета траверса с закрепленной в ней катушкой электромагнита, ось которой параллельна оси стакана, при этом траверса соединена пружиной со стаканом, а в нижней части полости корпуса расположена опора из немагнитного материала с отверстием для размещения дорна.
Недостатком устройства по прототипу является то, что точность отверстия формирется копированием поверхности дорна и сложной системой, обеспечивающей точность его расположения относительно обрабатываемой поверхности, т. е.  пружиной, соединяющей траверсу со стаканом, расположенном в корпусе направляющей втулки и колоннами, что в свою очередь усложняет и удорожает конструкцию устройства.
Задачей предлагаемого решения является повышение точности обработки внутренних цилиндрических поверхностей при поверхностно-пластическом деформировании дорнованием.
Технический результат - повышение точности внутренних цилиндрических поверхностей при поверхностно пластической деформации дорнованием за счет обеспечения соосности элементов передающих усилие и дорна в процессе обработки.
Этот технический результат достигается тем, что предложено устройство для дорнования точных отверстий, содержащее дорн, соединенный с державкой штоков через направляющую цилиндрическую втулку установленными в ней штоками, а, количество штоков не менее трех.
Вопросы точности при поверхностно пластическом деформировании дорнованием, в частности обеспечения прямолинейности и соосности отверстия, центрирования в процессе обработки, весьма актуальны и важны, особенно для длинномерных отверстий. Одной из причин появления искажений формы и размеров в продольном сечении являются несовпадения осей заготовки детали, инструмента и рабочего органа станка, несовершенство опоры, которая центрирует положение заготовки, когда в поперечном сечении копируется поверхность дорна и его геометрия жестко определена формой инструмента.
В результате обработки отверстий предлагаемым устройством осуществляется перераспределение усилия на торцовую плоскость дорна, обеспечивающее ее положение строго по оси заготовки за счет саморегулирования системой нескольких толкателей в виде штоков (не менее трех) равной длины, которые при повороте их державкой принимают спиральный вид. Сначала волны спиралей, контактируя с внутренней поверхностью направляющей втулки, обеспечивают самоустановку дорна относительно оси заготовки, а при дальнейшем перемещении дорна волны спиралей контактируют с обработанной поверхностью,
Усилие, возникающее в зоне контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью, взаимоуравновешивается с усилием, передающим штоками (три) от державки. Усилие может взаимоизменяться в зависимости от напряженного состояния поверхности отверстия в процессе обработки (на границе между контактной и внеконтактной зонами деформаций) и в момент потери устойчивости штоков с одновременным обеспечением точности обрабатываемого отверстия за счет схождения спиральных витков строго по оси устройства.
На фиг. 1 показано предлагаемое устройство для дорнования точных отверстий.
Устройство включает штоки 1, как минимум в количестве трех штук, которые уложены в направляющей втулке 2. С одной стороны штоки 1 равномерно прикреплены к державке 3, наружный диаметр которой соответствует внутреннему диаметру направляющей втулки 2, с возможностью перемещения в ней по скользящей посадке. С другой стороны к штокам 1 прикреплен дорн 4 для дорнования отверстия в заготовке 5.
Штоки 1 устанавливаются равномерно под углами относительно друг друга: три штока под углом 120º.
Для установке заготовки 5 предусмотрена самоустанавливающаяся опора для протяжных станков (а.с. № 390878 опубл. 25.07.73. Бюл. № 31), повышающая точность обработки, например при дорновании с большими натягами, выполненная в виде корпуса 6 с опорным фланцем, взаимодействующего при помощи упорного подшипника 7 с торцом шарового сектора втулки 8, которая установлена с зазором в шаровом секторе 9 корпуса, закрепленные гайками 10, 11 с пружинами 12, 13.
Обработку точных отверстий осуществляют следующим образом.
Заготовку 5 устанавливают в корпус 6 самоустанавливающейся опоры для протяжного станка, так чтобы в первоначальный момент захода дорна 4 входное отверстие заготовки 5 совпало с внутренним отверстием направляющей втулки 2 и жестко закрепляют.
Дорн 4 пропускают сквозь внутреннее отверстие направляющей втулки 2 до соприкосновения его с заготовкой 5, поворачивают державку 3 штоков 1, создавая сжимающее усилие P, Н:
,\tab(1)
где  - модуль упругости материала штока, МПа;
2
- момент инерции, Н·мм;
n - количество штоков (3), шт;
т
l - длина штока, мм.
При условии
отв
шт
d/d≥7,
отв
где d - диаметр обрабатываемого отверстия, мм;
шт
d - диаметр штока, мм.
Сжатые штоки 1 уложутся спиралью по внутреннему отверстию направляющей втулки 2 и создадут усилие давления на дорн 4 и на внутреннюю поверхность направляющей втулки 2. Реакция внутренней поверхности будет направлена в центр внутренней поверхности направляющей втулки 2, а результирующая сила будет расположена точно на оси внутренней поверхности направляющей втулки 2, обеспечивая при этом двойную направляющую опору, расположенную по оси в направляющей втулке.
По мере продвижения дорна 4 в заготовке 5 штоки 1 с внутренней поверхности направляющей втулки 2 будут переходить на внутреннюю поверхность заготовки 5 и  при условии
отв
l/d ≥2,
где l - длина обработанной поверхности, мм;
отв
d - диаметр обрабатываемого отверстия, мм.
Двойная направляющая переместится на ось внутренней поверхности заготовки 5 и таким образом будет обеспечиваться точность центрирования (самоцентрирование) дорна 4 относительно внутренней поверхности заготовки 5, а в глубоких отверстиях в момент работы дорна 4 штоки сами дополнительно выравнивают обработанную дорном 4 внутреннюю поверхность заготовки 5.
ост
а
В результате данной обработки обеспечивается точность отверстия - отклонение от соосности 0,04 - 0,05 мкм и формируется упрочненный поверхностный слой с остаточными напряжениями сжатия σ=300÷800 МПа и шероховатостью поверхности R=0,05÷0,10 мкм.