способ центробежного упрочнения винтов

Формула изобретения

Способ упрочнения винтов винтовых насосов, включающий осуществление вращения и продольной подачи устройства для поверхностного пластического деформирования и вращательного движения обрабатываемого винта, отличающийся тем, что используют устройство для поверхностного пластического деформирования, содержащее диск с радиальными пазами, выполненными в виде пневмоцилиндров, в которых размещены деформирующие элементы в виде двухступенчатых роликов, каждый из которых выполнен со ступенью меньшего диаметра в виде штока пневмоцилиндра со сферическим рабочим торцом радиуса r> , где - эксцентриситет обрабатываемого винта винтового насоса, и ступенью большего диаметра в виде поршня, имеющего канавку с уплотнительным кольцом и расположенного в пневмоцилиндре, причем на периферийной поверхности диска установлено кольцо с отверстиями, обеспечивающими свободное прохождение через них ступеней меньшего диаметра двухступенчатых роликов и удерживание последних в радиальных пазах диска, при этом осуществляют удары по поверхности винта для ее пластического деформирования упомянутыми сферическими рабочими торцами штоков под действием центробежной силы двухступенчатых роликов и путем подачи сжатого воздуха в пневмоцилиндры по радиальному каналу и кольцевым канавкам, выполненным в диске.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам и устройствам для отделочно-упрочняющей обработки поверхностей деталей винтов из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием (ППД) с нагруженнием деформирующих элементов центробежными силами.

Известен способ и инструмент центробежной обработки, у которого деформирующие элементы (шарики или ролики) размещают в радиальных пазах диска, при этом в работе элементы смещаются в радиальном направлении [1]. Диск с элементами вращается с высокой скоростью. Элементы при этом наносят по поверхности детали многочисленные удары, пластически деформируя поверхность, и мгновенно отскакивают от нее.

Известный способ и инструмент отличается ограниченными технологическими возможностями и не позволяет упрочнять сложнофасонные поверхности, например, винтовые, эксцентриковые, кулачковые и др., при этом способ и инструмент имеет низкую производительность и не позволяет развить больших усилий для эффективной обработки.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием и упрочнять сложнофасонные поверхности за счет управления глубиной и микрорельефом упрочненного слоя путем использования устройства и инструмента специальной формы с большим количеством деформирующих элементов, на которые воздействует, помимо центробежных сил, нагрузка за счет сжатого воздуха, что позволяет увеличить производительность и улучшить качество поверхности.

Поставленная задача решается предлагаемым способом для упрочнения винтов винтовых насосов, включающим осуществление вращения и продольной подачи устройству для поверхностного пластического деформирования и вращательного движения обрабатываемому винту, при этом используют устройство для поверхностного пластического деформирования, содержащее диск с радиальными пазами, выполненными в виде пневмоцилиндров, в которых размещены деформирующие элементы в виде двухступенчатых роликов, каждый из которых выполнен со ступенью меньшего диаметра в виде штока пневмоцилиндра со сферическим рабочим торцом радиуса r> , где - эксцентриситет обрабатываемого винта винтового насоса, и ступенью большего диаметра в виде поршня, имеющего канавку с уплотнительным кольцом и расположенного в пневмоцилиндре, причем на периферийной поверхности диска установлено кольцо с отверстиями, обеспечивающими свободное прохождение через них ступеней меньшего диаметра двухступенчатых роликов и удерживание последних в радиальных пазах диска, при этом осуществляют удары по поверхности винта для ее пластического деформирования упомянутыми сферическими рабочими торцами штоков под действием центробежной силы двухступенчатых роликов и путем подачи сжатого воздуха в пневмоцилиндры по радиальному каналу и кольцевым канавкам, выполненным в диске.

Сущность способа поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема импульсного упрочнения винтовых поверхностей винтов предлагаемым способом, частичный продольный разрез деформирующего инструмента; на фиг.2 - вид по А на фиг.1, общий вид с торца; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1, деформирующие элементы упрочняют впадину винта; на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.1, деформирующие элементы упрочняют выступ винта.

Предлагаемый способ и реализующее его устройство предназначен для поверхностного пластического деформирования (ППД) упрочнения винтовых поверхностей винтов винтовых насосов (фиг.1) с использованием инерционных центробежных сил, действующих на деформирующие элементы. Способ можно использовать для импульсного упрочнения цилиндрических, эксцентриковых, кулачковых и др. сложнофасонных поверхностей. Предлагаемое устройство содержит диск 1 с радиальными пазами 2, в которых размещены деформирующие элементы 3. Диск 1 с деформирующими элементами 3 вращается с высокой скоростью V_И. При работе элементы могут смещаться в радиальном направлении. На деформирующие элементы 3 действуют центробежные силы, под действием которых наносятся по поверхности заготовки 4, вращающейся со скоростью V_З, многочисленные удары.

Деформирующие элементы 3 выполнены в форме двухступенчатых роликов. Ступени меньшего диаметра расположены дальше от центра диска, а ступени большего диаметра - ближе к центру и находятся в радиальных пазах 2. Ступень меньшего диаметра является штоком пневмоцилиндра и ее рабочий торец выполнен сферическим радиусом r и ударяет по поверхности заготовки, пластически деформируя ее. Длина этой ступени больше, чем эксцентриситет обрабатываемой заготовки, например винта, согласно фиг.1. Радиус r сферы штока берется не менее эксцентриситета обрабатываемого винта, т.е. r> .

Ступень большего диаметра деформирующего элемента - ролика 3 является поршнем, имеет канавку с уплотнительным кольцом 5 и расположена в радиальном пазу - пневмоцилиндре 2. В пневмоцилиндры 2 по радиальному каналу 6 и кольцевым канавкам 7 подается сжатый воздух.

На цилиндрической периферийной поверхности диска 1 установлено и закреплено кольцо 8, выполняющее функции крышки пневмоцилиндров, с отверстиями для свободного прохождения ступени меньшего диаметра деформирующих элементов и удержания их в пневмоцилиндрах 2.

При обработке заготовка получает вращение V_З, а устройство для упрочнения - движение продольной подачи S_пр вдоль оси обрабатываемой заготовки и вращательное движение V_И.

Устройство предназначено для импульсного упрочнения поверхностным пластическим деформированием деталей цилиндрических, эксцентриковых, кулачковых и др. сложнофасонных поверхностей валов, а также винтов винтовых насосов, для чего устройство устанавливают, например, на суппорте токарного станка (не показан). Заготовку закрепляют в патроне 9 шпинделя 10 передней бабки 11 и поджимают центром 12 задней бабки 13. Обрабатываемой заготовке сообщают вращательное движение V_З. Скорость вращения заготовки задают в зависимости от требуемой производительности, конструктивных особенностей заготовки и оборудования.

Сборная конструкция диска 1, помимо вышеназванных отличий, имеет следующие особенности. Пневмоцилиндры 2 образованы сепараторами 14, в которых имеются радиальные пазы, и крышками 15, которые установлены с торцов диска 1 и которые закреплены винтами 16.

Сущность предлагаемого процесса с использованием вышеописанного устройства заключается в следующем. При работе деформирующие элементы могут смещаться в радиальном направлении. Используя поперечную подачу S_П, подводят и поджимают деформирующие элементы к центру обрабатываемой заготовки и устанавливают нужный натяг h_ВП по впадине винтовой поверхности. Инструмент с деформирующими элементами вращается с высокой скоростью V _И. Элементы при этом наносят по поверхности детали многочисленные удары, пластически деформируя поверхность. Периодически деформирующие элементы ударяют как по впадинам (см. фиг.3), так и по выступам (см. фиг.4), где натяг h_ВЫС больше на величину эксцентриситета по сравнению с h_ВП. При этом деформирующие элементы не отскакивают от обработанной поверхности, как это происходит в прототипе [1], а прижаты к обрабатываемой поверхности за счет подачи и давления сжатого воздуха на поршень, которым является деформирующий ролик. Однако давление в каждом пневмоцилиндре 2 одинаковое, поэтому воздействие деформирующих элементов на выступы и впадины будет, примерно, одинаковое. Подача сжатого воздуха в пневмоцилиндры увеличивает срок службы инструментов, при этом пневмоцилиндры работают как демпферы и гасят вибрации, возникающие при ударах.

В результате пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя параметр шероховатости поверхности повышается до Ra=0,1 0,4 мкм при исходном значении Ra=0,8 3,2 мкм. Твердость поверхности увеличивается на 30 80% при глубине наклепанного слоя 0,3 3 мм. Остаточные напряжения сжатия достигают на поверхности 400 800 МПа.

Предварительная обработка заготовки: шлифование до значения параметра шероховатости Ra=0,4 1,6 мкм, а также чистовое точение поверхностей с шероховатостью Ra=3,2 мкм.

Предлагаемую ударную обработку применяют при изготовлении заготовок из цветных металлов и сплавов, чугуна и стали твердостью до HRC 58 64. Помимо наружных винтовых поверхностей этим способом обрабатывают внутренние фасонные поверхности вращения, а также плоскости, соответствующим образом изготовив профиль деформирующих элементов. Можно также обрабатывать прерывистые поверхности и места сопряжении поверхностей.

Обработку выполняют на шлифовальных, токарных и фрезерных станках. Изготовляют деформирующие элементы из сталей марок ШХ15 и 9ХС с твердостью HRC 56-60.

Твердость поверхностного слоя, глубина наклепа и шероховатость поверхности зависят от силы удара и числа ударов, приходящихся на 1 мм² поверхности. Эти параметры, в свою очередь, зависят от окружной скорости инструмента, натяга, размера элементов, их числа в инструменте, частоты вращения заготовки и времени обработки.

Режимы обработки винтовых поверхностей деформирующими элементами - роликами диаметром малой ступени 7 10 мм и радиусом сферической рабочей поверхности r=3,5 5 мм и давлением сжатого воздуха 0,63 МПа приведены в таблице.

В конкретных случаях необходима экспериментальная отработка режимов. При неправильно выбранном режиме может возникнуть перенаклеп поверхности, и в поверхностном слое могут возникнуть растягивающие остаточные напряжения, ведущие к трещинам и выкрашиванию поверхностного слоя.

1. Режимы обработки ППД винтовых поверхностей

Обрабатываемый материал	Окружная скорость, м/с	Продольная подача, мм/об	Натяг, мм	Число проходов	Повышение твердости, %
инструмента-диска	заготовки
1	2	3	4	5	6	7
Сталь	15 40	0,5 1,5	0,04 0,16	0,1 0,25	3 4	15 55
Чугун	15 20	0,5 1,0	0,08 0,10	0,1 0,2	3	30 60
Бронза, латунь	8 15	0,5 1,0	0,02 0,20	0,05 0,1	2 3	25 45
Дюралюминий	9 13	0,1 0,5	0,02 0,20	0,01 0,15	2 3	25 35
Примечание. Параметр шероховатости поверхности в исходном состоянии Ra=0,4 1,6 мкм, после обработки - Ra=0,1 0,4 мкм

Обработка с большими натягами приводит к увеличению шероховатости поверхности, но при этом несколько увеличивается эффект упрочнения.

Для получения поверхности заготовки высокого качества перед обработкой заготовки очищают от следов коррозии и обезжиривают. Обработку ведут с использованием СОТС. Деформирующие элементы смазывают смесью индустриального масла (60%) и керосина (40%), поверхность заготовки - керосином.

Оставлять припуск под обработку не следует, так как изменение размера весьма незначительно (1 5 мкм). После обработки по этому способу точность заготовок соответствует 7 9 квалитетам.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного предлагаемым способом, проведены экспериментальные исследования обработки винта левого Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500, который имел следующие размеры: общая длина - 1282 мм, длина винтовой части - 1208 мм, диаметр поперечного сечения винта - 27^-0,05 мм, эксцентриситет - 3,3 мм, шаг - 28 ^±0,01 мм, шероховатость R_a=0,4 мкм; винтовая поверхность однозаходная, левого направления; материал - сталь 18ХГТ ГОСТ 4543-74, твердость НВ 207-228, масса - 5,8 кг.

Обработка проводилась на токарно-винторезном станке мод. 16К20 с использованием вышеописанного устройства.

Значения технологических факторов (частоты ударов, величины подачи) выбирались таким образом, чтобы обеспечить кратность ударного воздействия на элементарную площадку обрабатываемой поверхности в диапазоне 6 10. Дальнейшее увеличение кратности деформирующего воздействия ведет к разупрочнению.

Величина силы импульсного воздействия деформируемых элементов на обрабатываемую поверхность составляла Р_ИМ=25,5 40,0 кН. Глубина упрочненного импульсной обработкой слоя в 3 4 раза выше, чем при традиционном обкатывании. Упрочненный слой при традиционном обкатывании формируется в условиях длительного действия больших статических усилий. С помощью данного устройства аналогичная глубина упрочненного слоя достигается в результате кратковременного воздействия на очаг деформации пролонгированного импульса энергии.

Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя импульсной обработкой показали, что максимальные остаточные напряжения находятся близко к поверхности, как при чеканке, что благоприятно для большинства сопрягаемых деталей механизмов и машин. Сравнение глубины напряженного и упрочненного слоя, градиента напряжений и градиента наклепа показывает, что глубина напряженного слоя в 1,1 1,3 раза больше, чем глубина наклепанного слоя, что согласуется с теорией поверхностного пластического деформирования. Обработка показала, что параметр шероховатости обработанных винтовых поверхностей уменьшился до значения Ra=0,32 0,63 мкм при исходном - Ra=3,2 6,3 мкм, производительность повысилась более чем в три раза по сравнению с традиционным обкатыванием. Энергоемкость процесса уменьшилась в 2,4 раза.

Гашение микровибраций, которое осуществляется за счет подвода сжатого воздуха, в процессе обработки благоприятно сказываются на условиях работы инструмента. Это приводит к более равномерному распределению нагрузки на инструмент, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчает формирование упрочняемой поверхности. Демпфирование колебаний способствует лучшему проникновению СОТС в зону обработки. Демпфирование колебаний способствует увеличению стойкости деформирующих элементов инструмента. Обработка в условиях демпфирования колебаний резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОТС вследствие облегчения ее доступа в зону контакта инструмента и заготовки.

Предлагаемый способ и реализующее его устройство расширяет технологические возможности импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом сложнофасонной поверхности путем использования устройства и инструмента специальной формы с большим количеством деформирующих элементов и подвода сжатого воздуха, что позволяет увеличить производительность и снизить расходы на изготовление благодаря простоте конструкции.

Источники информации

1. 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, 1983, С.412-414.