Дорн для поверхностно-пластической деформации

Решение относится к технологии машиностроения, в частности к поверхностно-пластической деформации дорнованием отверстий деталей со статико-возвратно-поступательным нагружением деформирующего сборного инструмента.
Известен способ статико-импульсного дорнования отверстий (патент РФ №2462340 В24В 39/02 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, причем 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 приложение к деформирующему элементу инструмента в виде винтовой конической пружины с наружной рабочей поверхностью в виде усеченного конуса с углом ϕ=3…5° статической и периодической импульсной нагрузок с натягом вдоль обрабатываемой поверхности не обеспечивает формирования остаточных напряжений сжатия с более глубоким распространением по глубине поверхностного слоя.
В качестве прототипа принят дорн, (патент РФ №2533507 В24В 39/02 опубл. 20.11.2014. Бюл. №32), содержащий корпус, в котором установлен шток, состоящий из двух соосных частей: вращательно-поступательной и поступательно-возвратной, на которой жестко закреплено деформирующее поступательно-возвратное кольцо и подвижно установлены деформирующее поступательное кольцо и пластинчатая Z-образная пружина, а в пазу корпуса установлен с возможностью перемещения ограничивающий вращательное движение поступательно-возвратной части штока штифт, вращательно-поступательная и поступательно-возвратная части штока соединены посредством зубчатых полумуфт с наклонными участками и участками, параллельными оси штока, а пластинчатая Z-образная пружина размещена между поступательной частью дорна и опорной шайбой на штоке.
Недостатком дорна по прототипу является наличие в конструкции поступательного кольца, расположенного после возвратно-поступательного кольца, что обеспечивает совмещение зон внеконтакной деформации после деформирующего элемента, что ограничивает возможность формирования остаточных напряжений сжатия с более глубоким распространением по глубине поверхностного слоя.
Задачей предлагаемого решения является повышение износостойкости внутренних цилиндрических поверхностей.
Технический результат - повышение износостойкости внутренних цилиндрических поверхностей при поверхностно пластической деформации дорнованием за счет формирования остаточных напряжений сжатия с более глубоким распространением по глубине поверхностного слоя.
Этот технический результат достигается тем, что дорн для поверхностно-пластической деформации, содержащий корпус, в котором установлен шток, соединенный посредством полумуфт, состоящий из двух соосных частей, вращательно-поступательной и поступательно-возвратной, на которой жестко закреплены деформирующее поступательно-возвратное кольцо с заборной конической поверхностью и опорная шайба, между которыми размещены с зазором деформирующее поступательное кольцо и пластинчатая Z-образная пружина, а в пазу корпуса установлен с возможностью перемещения ограничивающий вращательное движение поступательно-возвратной части штока штифт, причем, заборная коническая поверхность деформирующего поступательно-возвратного кольца выполнена с разными углами.
При дорновании до и после кольца дорна формируются волны внеконтактной деформации, влияя на которые можно эффективно управлять глубиной распространения остаточных напряжений сжатия и исключить появления перенаклепа поверхности.
На фиг. 1 показан предлагаемый дорн.
Деформирующее поступательно-возвратное кольцо 1 с конической цилиндрической заборной частью, которая включает поверхность 2 и поверхность 3 с разными углами наклона, жестко закреплено на штоке 4. Угол наклона конической цилиндрической заборной части 2 больше угла наклона конической цилиндрической заборной 3 кольца 1. Количество конических цилиндрических поверхностей заборной части кольца 1 может быть несколько.
Шток 4 состоит из двух частей: поступательно-возвратной части 5 с поступательно-возвратной полумуфтой 6 и вращательно-поступательной части 7 с вращательно-поступательной полумуфтой 8, которые сопряжены между собой по зубчатой поверхности, включающей наклонные участки 9 и участки 10 параллельные оси штока 4.
На поступательно-возвратной части 5 штока 4 жестко закреплены деформирующее поступательно-возвратное кольцо 1 и опорная шайба 11, между которыми по скользящей посадке установлены деформирующее поступательное кольцо 12 и пластинчатая Z-образная пружина 13.
Чтобы поступательно-возвратная полумуфта 6 не проворачивалась в радиальном направлении, на ней установлен штифт 14, который другим концом входит в продольный паз 15 корпуса 16. Вращательно-поступательная часть 5 штока 4 сопрягается по резьбовой поверхности с резьбовым отверстием в крышке 17, которая установлена в корпусе 16.
Корпус 16 и обрабатываемая деталь 17 жестко закреплены.
Обработку осуществляют следующим образом.
Деформирующему поступательно-возвратному кольцу 1 сообщают поступательное перемещение, при котором заборная коническая цилиндрическая поверхность 2 поступательно контактирует с отверстием детали, осуществляет поверхностно пластическую деформацию в пределах своей длины и возвращается в исходное положение.
При дальнейшем перемещении кольца 1, поверхность 2 в пределах своей длины повторно проходит по деформированной ей ранее поверхности и осуществляет поверхностно-пластическую деформацию следующего участка отверстия. Одновременно с этим в контакт с ранее обработанной поверхностью 2 отверстия входит заборная коническая цилиндрическая поверхность 3, осуществляя повторную поверхностно-пластическую деформацию. Далее процесс повторяется в пределах длины обрабатываемого отверстия.
Рабочее движение деформирующему поступательно-возвратному кольцу 1, жестко закрепленному на поступательно-возвратной части 5 штока 4 передается от вращательно-поступательной части 7, которой сообщают рабочее движение по резьбовой поверхности в крышке 17. Вращательно-поступательная полумуфта 8 контактирует по наклонным участкам 9 с поступательно-возвратной полумуфтой 6, сообщая ей поступательное движение, причем, чтобы полумуфта 6 не проворачивалась в радиальном направлении, на ней установлен штифт 14, который другим концом входит в продольный паз 15 корпуса 16. Длина продольного паза 15 позволяет штифту 14 свободно перемещаться в неподвижно закрепленном корпусе 16 в пределах заданной длины обрабатываемого отверстия.
В момент соприкосновения полумуфт 8 и 6 по наклонным участкам 9 в контакт с обрабатываемой поверхностью детали входит деформирующее поступательно-возвратное кольцо 1, которое осуществляет поверхностно-пластическую деформацию последовательно наклонными поверхностями 2 и 3 заборного конуса, в процессе которой движение штока 5 замедляется, а жестко закрепленная на нем опорная шайба 11 передает усилие на пластинчатую Z-образную пружину 13 по окончании перемещения которой в работу вступает деформирующее поступательное кольцо 12 дорна.
При дальнейшем перемещении вращательно-поступательной части 7 штока 4 по резьбе в крышке 17 полумуфты 6 и 8, достигнув высоты зуба, выходят из контакта по наклонным участкам 9. После соприкосновения полумуфт 6 и 8 вершинами зубьев действие осевого усилия, инициирующего поверхностно-пластическую деформацию деформирующим поступательно-возвратным кольцом 1, прекращается, его поступательное движение резко (скачком) переходит в возвратное перемещение.
При возвратном перемещении пластинчатая Z-образная пружина 13 разжимается и, опираясь в деформирующее поступательное кольцо 12 и опорную шайбу 11, выводит из контакта с обрабатываемой поверхностью наклонные деформирующее поступательно-возвратное кольцо 1 с наклонными поверхностями 2 и 3 в пределах их заданной длины.
2
3
зуба
где l - поверхность 2 заборного конуса деформирующего поступательно-возвратного кольца 1; l - поверхность 3 заборного конуса деформирующего поступательно-возвратного кольца 1; l - высота зуба, по которой сопрягаются при полном зацеплении полумуфты 6 и 8.
Углы наклона поверхностей 2, 3 заборного конуса в пределах 3÷5° деформирующего поступательно-возвратного кольца 1 дорна, причем
2
3
где ϕ - угол наклона поверхности 2 заборного конуса деформирующего поступательно-возвратного кольца 1; ϕ - угол наклона поверхности 3 заборного конуса деформирующего поступательно-возвратного кольца 1.
2
3
Данное соотношение, при котором угол наклона поверхности 2 ϕ больше угла наклона поверхности 3 ϕ заборного конуса деформирующего поступательно-возвратного кольца 1, объясняется тем, что поверхность 3, следуя за поверхностью 2, осуществляет повторную поверхностно-пластическую деформацию. Перед повторной пластической деформацией состояние поверхностного слоя изменено, в зоне контакта возникает упрочнение и предварительное приращение остаточных напряжений сжатия, образуется текстурированный слой с осями зерен, вытянутыми в направлении движения дорна, ширина контакта уменьшается.
Одновременно идет совмещение волн внеконтактной деформации перед зоной контактирования за счет поступательного перемещения и после нее за счет возвратного перемещения. Совмещение зон контактирования ведет к снижению рабочих нагрузок при постоянных геометрических параметрах деформирующих элементов, а при изменении угла наклона образующей рабочего (заборного) конуса, возникают дополнительные усилия, формирующие остаточные напряжения сжатия с более глубоким распространением по глубине поверхностного слоя, улучшить шероховатость обработанной поверхности, что повышает износостойкость и долговечность внутренних цилиндрических поверхностей.
jcn
a
В результате данной обработки формируется упрочненный поверхностный слой, охватывающий большую глубину 30÷50 мкм с остаточными напряжениями сжатия σ=400÷900 МПа и шероховатостью поверхности R=0,05÷0,10 мкм.
Данное конструктивное решение за счет возможности варьирования геометрическими параметрами образующей рабочего конуса дорна позволяет путем совмещения волн внеконтактной деформации при статико-возвратно-поступательном нагружении повысить износостойкость внутренних цилиндрических поверхностей за счет формирования остаточных напряжений сжатия с более глубоким распространением по глубине поверхностного слоя.