способ импульсно-ударного упрочнения
Классы МПК: | B24B39/04 для обработки наружных поверхностей вращения |
Автор(ы): | Степанов Юрий Сергеевич (RU), Киричек Андрей Викторович (RU), Мальцев Анатолий Юрьевич (RU), Афанасьев Борис Иванович (RU), Фомин Дмитрий Сергеевич (RU), Самойлов Николай Николаевич (RU), Тарасов Дмитрий Евгеньевич (RU), Бурцев Василий Сергеевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный технический университет" (ОрелГТУ) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-10-12 публикация патента:
20.11.2011 |
Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к обработке импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием валов с винтовыми, цилиндрическими и сложнопрофильными поверхностями. Сообщают заготовке и деформирующему инструменту вращательные движения вокруг собственных осей и продольную подачу деформирующему инструменту. Используют деформирующий инструмент, содержащий корпус с центральным отверстием в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя. Внутри корпуса на подшипниках качения смонтирован ротор в виде полого вала. В отверстии ротора на упругой втулке расположены деформирующие элементы, на три четверти вмонтированные в упругую втулку, на одну четверть выступающие из ее внутренней поверхности. Упругая втулка закреплена в отверстии ротора с помощью гаек, ввернутых в резьбовые части, выполненные с торцов ротора на поверхности его отверстия. Производят регулирование и установку жесткости упругой втулки с помощью упомянутых гаек. В результате расширяются технологические возможности, увеличивается производительность, а также улучшается качество обработанной поверхности. 5 ил.
Формула изобретения
Способ импульсно-ударного упрочнения поверхностным пластическим деформированием многоэлементным деформирующим инструментом валов с винтовыми, цилиндрическими и сложнопрофильными поверхностями, включающий сообщение заготовке и многоэлементному деформирующему инструменту вращательных движений вокруг собственных осей и продольной подачи многоэлементному деформирующему инструменту, отличающийся тем, что используют многоэлементный деформирующий инструмент, содержащий корпус с центральным отверстием в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован ротор в виде полого вала, в отверстии которого на упругой втулке расположены деформирующие элементы, на три четверти вмонтированные в упругую втулку, на одну четверть выступающие из ее внутренней поверхности и охватывающие заготовку, при этом упругая втулка закреплена в отверстии ротора с помощью гаек, ввернутых в резьбовые части, выполненные с торцов ротора на поверхности его отверстия, при этом производят регулирование и установку жесткости упругой втулки с помощью упомянутых гаек.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к обработке импульсно-ударным поверхностным пластическим деформированием (ППД), и может быть использовано для чистовой и упрочняющей обработки цилиндрических, винтовых и сложнопрофильных поверхностей, например винтов винтовых насосов, винтовых поверхностей с скругленно-синусоидальным профилем, эксцентриковых шеек валов, поверхностей кулачковых и РК-профилей.
Известен способ обкатки и устройство, содержащее корпус с индивидуальным высокоскоростным приводом, охватывающее заготовку кольцо с деформирующими элементами, расположенными на беговой дорожке на внутренней поверхности, причем корпус - кольцо установлен в кривошипе, также имеющем индивидуальный привод, благодаря которому сообщают дополнительное планетарное вращение относительно оси, проходящей через центр заготовки, параллельной и смещенной относительно оси корпуса - кольца на величину эксцентриситета [1, 2].
Недостатками известного способа и устройства являются узкие технологические возможности, при которых чистовая обработка поверхностным пластическим деформированием винтовых наружных поверхностей после соответствующей модернизации является весьма сложной, а ряде случаев невозможной. Кроме того, конструктивно сложный привод, состоящий из двух индивидуальный приводов, повышает себестоимость обработки, снижает производительность, ухудшает качество обрабатывающей поверхности, требует сложной и длительной настройки.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей ППД сложнопрофильных поверхностей путем использования охватывающего инструмента в виде упругого кольца с деформирующими элементами - шариками, расположенными на внутренней поверхности расположенного в роторе электродвигателя и позволяющего улучшить качество обрабатываемой поверхности, повысить производительность и снизить себестоимость обработки.
Поставленная задача решается предлагаемым способом импульсно-ударного упрочнения поверхностным пластическим деформированием многоэлементным деформирующим инструментом валов с винтовыми, цилиндрическими и сложнопрофильными поверхностями, включающим сообщение заготовке и многоэлементному деформирующему инструменту вращательных движений вокруг собственных осей и продольной подачи многоэлементному деформирующему инструменту, при этом используют многоэлементный деформирующий инструмент, содержащий корпус с центральным отверстием в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, внутри которого на подшипниках качения смонтирован ротор в виде полого вала, в отверстии которого на упругой втулке расположены деформирующие элементы, на три четверти вмонтированные в упругую втулку, на одну четверть выступающие из ее внутренней поверхности и охватывающие заготовку, при этом упругая втулка закреплена в отверстии ротора с помощью гаек, ввернутых в резьбовые части, выполненные с торцов ротора на поверхности его отверстия, при этом производят регулирование и установку жесткости упругой втулки с помощью упомянутых гаек. Особенности способа поясняются чертежами.
На фиг.1 показана схема импульсно-ударного упрочнения винтовой сложнопрофильной поверхности винта, общий вид сбоку; на фиг.2 - вид сбоку, продольный разрез; на фиг.3 - общий вид по А на фиг.1; на фиг.4 -разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.5 - развертка внутренней поверхности отверстия втулки с деформирующими элементами - шариками, вариант установки и расположения деформирующих элементов - шариков.
Предлагаемый способ предназначен для импульсно-ударного упрочнения поверхностным пластическим деформированием винтовых и сложнопрофильных поверхностей (например, винтов винтовых насосов, винтовых поверхностей с скругленно-синусоидальным профилем, цилиндрических валов, эксцентриковых шеек валов, поверхностей кулачковых и РК-профилей). Суть способа заключается в том, что обрабатываемой заготовки и деформирующему инструменту сообщают вращательные движения VЗ и V И соответственно, при этом устройству, реализующему способ, с деформирующим инструментом сообщают движение продольной подачи SПР, а создание натяга обеспечивается поперечной подачей SПОП. Устройство имеет деформирующие элементы, которые наносят по поверхности заготовки многочисленные удары, пластически деформируя и упрочняя ее.
Для импульсно-ударного упрочнения поверхностным пластическим деформированием обрабатываемой поверхности заготовки, например винта винтового насоса 1 (см. фиг.1), предварительно обработанной, например, точением, ее закрепляют в приспособлении, например в трехкулачковом самоцентрирующем патроне с поджатием центром задней бабки, и сообщают вращательное движение VЗ вокруг собственной центральной оси, а импульсно-ударному деформирующему инструменту 2 устройства - продольную подачу SПР и возможность создания натяга, поперечную подачу SПОП. Устройство состоит из корпуса 3, выполненного в виде статора трехфазного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, взятого, например, по ГОСТ 19523-74, с полюсами 4 и выполненного из серого чугуна. Внутри корпуса-статора 3 на подшипниках качения 5 смонтирован ротор 6 в виде полого стального вала.
В отверстии ротора 6 на упругой втулке 7 расположены деформирующие элементы 8, например шарики. Втулка 7 с деформирующими элементами 8 охватывают обрабатываемую заготовку 1.
Упругая втулка 7 изготовлена, например, из полиуретана СКУ-7Л, резины, поролона и др. упругих материалов. Если втулка изготовлена из резины, то при вулканизации резина прочно соединяется с металлическими деформирующими элементами - шариками 8. Металлические деформирующие элементы 8 посажены во втулке 7 таким образом, что три четверти элемента с наружным диаметром d расположены во втулке 7 и только одна четвертая часть d элемента свободно находится в отверстии втулки 7 и выступает над ее внутренней поверхностью. Упругая втулка 7 посажена в отверстии ротора 6 по тугой посадке.
С торцов ротора 6 упругая втулка 7 закреплена с помощью гаек 9, ввернутых с каждого торца в резьбовые части отверстия ротора 6. Кроме того, гайки 9 служат не только для крепления и предотвращения продольного смещения упругой втулки 7 в отверстии ротора 6, но и для регулирования и установки необходимой жесткости упругой втулки 7, влияющей и поддерживающей натяг N установки деформирующих элементов.
Усилие упрочнения, воздействующее через упругую втулку 7 и деформирующие элементы - шарики 8 на обрабатываемую поверхность заготовки 1, задается поперечной подачей SПОП, например, суппорта токарного станка (не показаны), на котором установлено устройство.
Установка и регулировка усилия упрочнения осуществляется, как правило, вручную.
Предлагаемый способ и конструкция устройства и крепление деформирующих элементов на упругой втулке 7 в отверстии вала ротора 6 электродвигателя позволяют деформирующим элементам совершать колебательные движения в поперечном направлении, вызванные эксцентричным смещением и расположением некоторых участков обрабатываемой, например, винтовой поверхности винта 1. Амплитуда колебательного движения деформирующего элемента будет равна е1 - эксцентриситету, обрабатываемой сложнофасонной поверхности (например, эксцентриситет винта левого Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500 равен e1 =1,65 мм, см. фиг.1-4).
Вход в контакт деформирующего элемента с заготовкой вызывает импульсно-ударную пластическую деформацию поверхностного слоя заготовки.
Передача вращательного движения VИ валу ротора 6 с деформирующими элементами 8 осуществляется с помощью электрических сил, наводимых в корпусе-статоре электродвигателя, и является минимальной по протяженности и сложности и исключает использование промежуточных ременных, зубчатых и других передач и редукторов, поэтому способ и устройство имеет минимальные энергетические потери и высокий КПД.
Твердость поверхностного слоя, глубина наклепа и шероховатость поверхности, полученные предлагаемым способом, зависят от силы удара и числа ударов, приходящихся на 1 мм 2 поверхности. Эти параметры, в свою очередь, зависят от окружной скорости вала ротора с деформирующими элементами 8, натяга, размера деформирующих элементов, их числа, частоты вращения, величины продольной подачи заготовки и числа проходов.
Устройству сообщают продольную подачу SПР не более 0,1 3,0 мм/об. Оптимальную подачу SПР о определяют по формуле:
S ПР о=k SЭ,
где k - число деформирующих элементов;
SЭ - подача на один деформирующий элемент не более - 0,1 0,5 мм/об.
На фиг.5 показана развертка внутренней поверхности отверстия упругой втулки 7 с деформирующими элементами - шариками 8, второй вариант установки и расположения элементов. На развертке показаны четыре вертикальных ряда по двенадцать деформирующих элементов в ряду. Отличительная особенность этого варианта от первого (см. фиг.2) заключается в том, что каждый последующий деформирующий элемент в своем вертикальном ряду смещен на величину подачи SЭ относительно предыдущего, при этом расстояние между рядами равно произведению величины подачи SЭ на количество элементов kР в вертикальном ряду.
Режимы импульсно-ударного деформирования предлагаемым способом для устройства, оснащенного, например, шариками диаметром 5 10 мм, и стальных заготовок следующие: окружная скорость вала ротора - VИ 20 40 м/с, окружная скорость заготовки - VP 0,05 0,5 м/с, число проходов - 2 3, натяг - 0,5 1,5 мм.
В результате импульсно-ударной пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя параметр шероховатости поверхности повышается до Ra=0,08 0,4 мкм при исходном значении Ra=0,8 3,2 мкм. Твердость обработанной поверхности увеличивается на 25 75% при глубине наклепанного слоя 0,25 2,5 мм. Остаточные напряжения сжатия достигают на поверхности 350 750 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.
Способ и устройство для импульсно-ударного деформирования позволяет создать на обрабатываемой сложнопрофильной, в том числе винтовой поверхности, регулярный микрорельеф, способный удерживать смазывающие материалы и продлевать ресурс работы деталей при эксплуатации.
Способ импульсно-ударного деформирования применяют при изготовлении заготовок из цветных металлов и сплавов, чугуна и стали твердостью HRC 58 64.
При промышленных испытаниях устройство, работающее по предлагаемому способу, закрепляли на суппорте токарного станка мод. 16К20Ф3, а заготовку устанавливали в патроне с электромеханическим приводом, заготовка винта левого Н41.1016.01.001 винтового насоса ЭВН5-25-1500, которая имела следующие размеры: общая длина - 1282 мм, длина винтовой части -1208 мм, диаметр поперечного сечения винта - D1=27-0,05 мм, эксцентриситет - e1=1,65 мм, шаг - t=28±0,01 мм, шероховатость Ra=0,4 мкм; винтовая поверхность однозаходная, левого направления; материал - сталь 40Х, твердость НВ 270-280, масса - 5,8 кг. Обработка проводилась с использованием разработанного устройства, на базе электродвигателя IM5010, модель 4АВ132 В6, имеющего частоту вращения вала ротора n=750 мин-1; наружный диаметр вала ротора - 157,3 мм; диаметр отверстия, расточенного под инструмент и заготовку с 54 мм до 115 мм; длина корпуса - статора - 253 мм; наружный диаметр корпуса - статора - 261 мм.
Импульсно-ударную ППД вели на следующих режимах: окружная скорость инструмента - VИ 15 м/с; окружная скорость заготовки - VЗ да 0,05 м/с, число проходов - 3, натяг - 0,2 мм, продольная S ПР подача 1,5 2,0 мм/об, усилие упрочнения - 170 175 Н; диаметр винта изменился после обработки на 0,02 мм (0,01 мм на сторону); глубина упрочненного наклепанного слоя находилась в пределах 0,15 0,20 мм; повышение твердости на 25 30%; при обработке деформирующие элементы смазывали смесью индустриального масла (60%) и керосина (40%), поверхность заготовки - керосином. Значения технологических факторов (частоты ударов, величина 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.
Исходный параметр шероховатости Ra=3,2 мкм, достигнутый - Ra=0,32 мкм; деформирующий инструмент - шарики диаметром 7 мм из стали ШХ15, твердостью HRC 63 65, расположенные в упругой втулке, внутренний радиус по вершинам деформирующих элементов Rк=40,57 мм.
Глубина упрочненного импульсно-ударной обработкой слоя в 3 4 раза выше, чем при традиционном обкатывании. Упрочненный слой при традиционном статическом обкатывании формируется в условиях длительного действия больших статических усилий.
Предлагаемым способом аналогичная глубина упрочненного слоя достигается в результате кратковременного импульсно-ударного воздействия на очаг деформации импульса энергии.
Требуемая шероховатость и точность винтовой поверхности была достигнута через Тм=3,6 мин (против Тм баз=10,5 мин по базовому варианту при традиционном обкатывании винтов на токарном станке 1К62 на ОАО "Лив-гидромаш").
Для обеспечения необходимого качества и размерной точности обработки потребовалось основного времени в 3 раза меньше, чем при обкатывании традиционным обкатником. При этом глубина и микротвердость упрочненного слоя (белой зоны) составляла соответственно 0,15 0,20 мм и 8 9 ГПа с постепенным понижением микротвердости по глубине до исходного состояния - 2,0 2,5 ГПа.
Контроль проводился скобой индикаторной с индикатором ИЧ 10 Б кл. 1 ГОСТ 577-68. Накопленная погрешность между любыми не соседними шагами была не более 0,1 мм, просвет при контроле лекальной линейкой образующих по диаметру выступов - не более 0,07 мм, что допустимо по ТУ.
Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя импульсно-ударной 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.
Достигаемая в процессе обработки предлагаемым способом предельная величина шероховатости составляет Ra=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз.
Импульсно-ударное деформирование в процессе благоприятно сказываются на условиях работы устройства. Оно приводит к более равномерному распределению нагрузки на деформирующие элементы, облегчает формирование упрочняемой поверхности.
Импульсно-ударное деформирование способствует лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. При наложении импульсной нагрузки деформирующие элементы и деформируемая поверхность периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости. В результате обработки в условиях импульсно-ударного деформирования резко увеличивается эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта деформирующих элементов и заготовки.
Предлагаемый способ расширяет технологические возможности импульсно-ударной обработки поверхностным пластическим деформированием, позволяет управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом поверхности. При этом конструктивно простой привод снижает себестоимость обработки, увеличивает производительность, улучшает качество обрабатываемой поверхности, не требует сложной и длительной настройки.
Источники информации
1. Патент РФ 2276005, МПК В24В 39/04. Способ обкатки неполных сферических поверхностей. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Самойлов Н.Н., Гаврилин А.М., Афанасьев Б.И., Катунин А.А., Фомин Д.С. 2004129399/02; 05.10.2004; 10.05.2006. Бюл. № 13.
2. Патент РФ 2276006, МПК В24В 39/04. Устройство для импульсно-ударного деформирования сферических поверхностей. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Самойлов Н.Н., Афанасьев Б.И., Катунин А.А., Катунин А.В. Фомин Д.С.2004136428/02; 14.12.2004; 10.05.2006. бюл. № 13 - прототип.
Класс B24B39/04 для обработки наружных поверхностей вращения