РОЛИК ОБКАТНОЙ МУЛЬТИРАДИУСНЫЙ

Изобретение относится к технологии обработки металлов давлением, в частности к упрочняющей обработке деталей машин поверхностным пластическим деформированием (ППД) обкатными роликами.

Известны конструкции обкатных роликов торовой формы для осуществления ППД (ГОСТ 16344-70. Ролики обкатные. Конструкция и размеры).

Все эти ролики имеют профиль рабочей поверхности, выполненный в виде радиуса постоянной величины - профильного радиуса ролика (R_пр).

По ГОСТ 16344-70 ролики торовой формы изготавливаются с R_пр величиной от 1,6 до 16 мм.

В процессе обработки ППД ролик рабочей частью прижимается к поверхности детали с некоторым усилием Р (по упругой схеме обработки) или с некоторым натягом h_д (по жесткой схеме обработки). Вращение (n_р) ролику сообщается посредством вращения детали n. Ролик перемещается вдоль оси детали с некоторой подачей S, в результате чего перед ним образуется волна пластически деформированного металла (фиг.1).

При внедрении ролика в зоне контакта возникает асимметричный очаг деформации (ОД) ABCDEFG, характеризуемый передней внеконтактной поверхностью пластической волны (АВС), поверхностью контакта (CDE), a также задней внеконтактной поверхностью (EF). Геометрические размеры и кривизна поверхностей ОД определяются свойствами обрабатываемого материала, а также параметрами режима обработки (фиг.2).

Вследствие деформации частицы металла в ОД перемещаются вдоль некоторых линий тока (ЛТ), формируя упрочненный слой некоторой толщины (фиг.2). Начальные параметры механического состояния металла, которые частицы имели до входа в ОД, трансформируются в накопленные к моменту выхода.

В процессе перемещения вдоль ЛТ частицы металла испытывают непрерывно изменяющееся напряженное состояние, которое в совокупности может быть описано величиной гидростатического давления (величина среднего нормального напряжения, взятая с обратным знаком). При этом происходит непрерывное накопление деформации и исчерпание запаса пластичности частицами металла, которые оцениваются соответственно степенью деформации сдвига Λ и степенью исчерпания запаса пластичности Ψ.

В результате обработки формируется поверхностный слой, оцениваемый совокупностью параметров качества, ключевыми из которых при обработке ППД являются:

- степень упрочнения, (%);

- глубина упрочнения, (мм);

- градиент упрочнения, (МПа/мм).

Конструкции роликов по ГОСТ 16344-70 позволяют в зависимости от исходных свойств металла детали, условий и технологических режимов обработки ППД получать поверхностный слой (ПС) с определенными параметрами механического состояния металла.

Стремление к повышению параметров качества ПС приводит к необходимости интенсификации процесса ППД через изменение режимов обработки и увеличение таким образом объема ОД. Однако известно, что, например, величина допустимого действительного внедрения роликов по ГОСТ 16344-70 при ППД в зависимости от свойств обрабатываемого металла не превышает значений 0,05-0,15 мм - в этом отношении способы ППД имеют предел, обусловленный в первую очередь пластическими свойствами обрабатываемого металла.

При превышении этих значений полностью исчерпывается запас пластичности и происходит разрушение металла в районе вершины пластической волны (точка C на фиг.2) и, как следствие, обработанной поверхности.

Таким образом, доступный диапазон изменения достигаемых при обработке ППД параметров механического состояния ПС ограничен как исходными свойствами металла детали, так и допустимым диапазоном изменения технологических параметров режима обработки, к которым относится и форма профиля обкатного ролика.

Так, например, для обработки ППД заготовки из стали 45 в состоянии поставки роликами по ГОСТ 16344-70 наибольшая степень упрочнения, достижимая без разрушения ПС, составляет 30-40%, наибольшая глубина упрочнения при этом в зависимости от режимов обработки составляет 3-4 мм.

Из представленного примера следует, что недостатком обкатных роликов известной конструкции является недостижимость больших по величине параметров механического состояния ПС, например, степени упрочнения 45-50% без разрушения ПС детали.

Техническим результатом изобретения является расширение возможностей обработки ППД и диапазона достижимых параметров механического состояния металла ПС, за счет применения деформирующего ролика со специальной формой профиля рабочей поверхности.

Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что в ролике обкатном мультирадиусном, включающем профиль рабочей поверхности, выполненный в виде радиуса постоянной величины, согласно изобретению профиль рабочей поверхности представляет собой комбинацию последовательно расположенных деформирующих элементов в количестве от 2 до 10 с профильным радиусом 0,5…5 мм, выполненных в виде радиусов постоянной величины, расположенных относительно друг друга со смещением в радиальном направлении на величину 0,01…0,1 мм как к оси ролика, так и от нее, а расстояние между вершинами деформирующих элементов вдоль оси ролика составляет , где

R_пр1 - профильный радиус первого деформирующего элемента;

R_пр2 - профильный радиус второго деформирующего элемента.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан процесс обработки ППД роликом, взятым за прототип, на фиг.2 - возникновение очага деформации при обработке ППД роликом, взятым за прототип, на фиг.3 - конструкция ролика обкатного из 4 инденторов.

Профиль рабочей поверхности ролика обкатного мультирадиусного представляет собой комбинацию последовательно расположенных деформирующих элементов в количестве от 2 до 10 с профильным радиусом 0,5…5 мм. Рассмотрим на примере конструкции ролика обкатного мультирадиусного из 4 инденторов. Ролик обкатной мультирадиусный перемещается вдоль оси детали с некоторой подачей S.

Расстояние между вершинами ДЭ вдоль оси ролика составляет , где

R_пр1 - профильный радиус первого деформирующего элемента;

R_пр2 - профильный радиус второго деформирующего элемента.

Деформирующий элемент, первым входящий в контакт с исходным (необработанным) поверхностным слоем 3 детали 2, имеет некоторый профильный радиус R_пр1=0,5…5 мм и двигается относительно поверхностного слоя 3 с некоторым натягом h_∂1=0,01…0,1 мм. В результате возникает ОД, по форме и размерам типичный для ППД роликом-прототипом.

Второй деформирующий элемент также имеет некоторый профильный радиус R_пр2=0,5…5 мм и радиальное смещение относительно 1-го элемента в направлении от оси ролика на некоторую величину в пределах Δ₁₂=0,01…0,1 мм. Таким образом, натяг 2-го элемента относительно поверхности составляет h_∂2=h_∂1+Δ₁₂.

Второй ДЭ формирует свой ОД, передняя внеконтактная зона которого совпадает с задней внеконтактной зоной ОД от первого ДЭ. Таким образом, в зоне между 1-м и 2-м ДЭ происходит изменение схемы напряженного состояния, которое приводит к смене знака пластической деформации и трансформации механического состояния частиц металла при переходе от одного ДЭ к другому.

Этот же эффект наблюдается во всех зонах, расположенных между соседними деформирующими элементами.

Третий деформирующий элемент, как и предыдущие, имеет профильный радиус R_пр3=0,5…5 мм и радиальное смещение относительно 2-го элемента в направлении от оси ролика на величину Δ₂₃=0,01…0,1 мм. Таким образом, натяг 3-го элемента относительно поверхности составил h_∂3=h_∂2+Δ₂₃.

Четвертый деформирующий элемент также имеет профильный радиус R_пр4=0,5…5 мм и некоторое радиальное смещение величиной в пределах Δ₁₂=0,01…0,1 мм относительно 3-го элемента в обратную сторону, т.е. в направлении к оси ролика величиной Δ₃₄. Таким образом, натяг 3-го элемента относительно поверхности составил h_∂4=h_∂3-Δ₃₄.

С точки зрения стабильности положения ролика относительно обрабатываемой поверхности, т.е. для снижения сил, вызывающих перекос ролика, натяг последнего ДЭ должен быть идентичным натягу первого ДЭ, т.е. h_∂1=h_∂4. Таким образом, смещение 4-го ДЭ (в обратном направлении) должно составлять Δ₃₄=-(Δ₁₂+Δ₂₃).

В результате описанной выше конструкции профиля рабочей части металл поверхностного слоя детали при обработке, находясь в условиях сложного напряженного состояния, испытывает пластическую деформацию с неоднократной сменой знака, что приводит к частичному залечиванию дефектов и восстановлению запаса пластичности металла в зонах смены знака деформации.

Результаты исследований показали, что при обработке роликом представленной конструкции накопление деформации и исчерпание запаса пластичности происходит волнообразно, число и расположение «волн» соответствует числу ДЭ. При этом накапливаются значительно меньшие значения исчерпания запаса пластичности Ψ=0,02…0,3, в то время как при обработке деталей ППД роликами по ГОСТ 16344-70 с профильным радиусом R_пр=1,6…10 мм, значения степени исчерпания запаса пластичности находятся в диапазоне Ψ=0,1…0,9.

Проведенные исследования показывают, что описанная выше конструкция профиля рабочей части обкатного ролика позволяет накапливать большие значения деформаций без разрушения ПС и увеличить максимально достижимые значения параметров механического состояния металла ПС при обработке.