Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОГО ДОРНОВАНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ОТВЕРСТИЙ

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам и устройствам для дорнования, калибрования, деформирующего протягивания и упрочнения металлических внутренних поверхностей сложнопрофильных отверстий деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием со статико-импульсным нагруженном деформирующего инструмента.

Известна обработка конических, ступенчатых и шлицевых втулок в мастер-обоймах за счет радиального затекания в их полости металла заготовки при раздаче отверстия [1].

Известное устройство отличается ограниченными технологическими возможностями, недостаточно большим натягом, незначительной глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой внутренней поверхности, низким КПД и большой энергоемкостью оборудования, а также повышенной металлоемкостью (на 20…40%), высокой трудоемкостью (в 2…3 раза) изготовления, не высокой точностью и прямолинейностью отверстий.

Известно устройство для статико-импульсного дорнования отверстий методом протягивания, содержащее патрон, в котором закреплен деформирующий инструмент, при этом он снабжен опорным фланцем для установки обрабатываемой заготовки, гидравлическим генератором импульсов для вырабатывания периодической импульсной нагрузки, волноводом в виде ступенчатого стержня со ступенями малого и максимального диаметров и бойком в виде втулки, который установлен на ступени малого диаметра ступенчатого стержня с возможностью продольного перемещения, а патрон установлен на волноводе, при этом втулка и ступень максимального диаметра ступенчатого стержня выполнены с поперечными сечениями одинаковой площади для передачи деформирующему инструменту периодической импульсной нагрузки вдоль его продольной оси, а соотношение длины втулки к длине ступени максимального диаметра ступенчатого стержня равно единице [2, 3].

Известное устройство отличается ограниченными технологическими возможностями, недостаточно большим натягом, незначительной глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой внутренней поверхности, низким КПД и большой энергоемкостью оборудования.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей дорнования за счет применения статико-импульсной нагрузки на специальный дорн с множеством деформирующих элементов, при прохождении которого возникают окружные растягивающие и радиально сжимающие напряжения, позволяющие значительно увеличить натяг и глубину упрочненного слоя, повысить степень упрочнения и снизить высоту микронеровностей обрабатываемой поверхности, а также увеличение производительности, КПД и снижение энергоемкости процесса.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для статико-импульсного дорнования сложнопрофильных шлицевых отверстий, содержащее дорн с деформирующими элементами, гидроцилиндр, выполненный с возможностью приложения к дорну статической нагрузки, гидроцилиндр, в котором расположен боек и волновод, выполненные с возможностью приложения к дорну периодической импульсной нагрузки, и гидравлический генератор импульсов для питания гидроцилиндров, причем гидроцилиндр периодической импульсной нагрузки расположен подвижно на штоке гидроцилиндра статической нагрузки и снабжен волноводом и бойком в виде втулок с возможностью их продольного перемещения на упомянутом штоке, при этом дорн содержит: корпус, неподвижно закрепленный на штоке гидроцилиндра статической нагрузки; конус, подвижно установленный на штоке с возможностью возвратно-поступательного перемещения на нем при действии волновода; винтовую цилиндрическую пружину сжатия, расположенную на штоке между корпусом и конусом, и деформирующие элементы в виде роликов, ширина которых равна ширине шлицевого паза сложнопрофильного отверстия, и расположенных в радиальных пазах корпуса с возможностью радиально-возвратного перекатывания при перемещении конуса относительно корпуса, количество роликов определяется количеством шлицевых пазов обрабатываемого отверстия

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема устройства для обработки сложнопрофильного шлицевого отверстия поверхностным пластическим деформированием-дорнованием со статико-импульсным нагружением деформирующих элементов дорна, положение устройства перед началом обработки, деформирующие элементы в свободном не нагруженном состоянии, тонкими линиями показано положение устройства в конце рабочего хода; на фиг.2 - поперечное сечение шлицевого отверстия заготовки, для обработки которого предназначено предлагаемое устройство; на фиг.3 - схема обработки шлицевого отверстия предлагаемым устройством, положение конуса и деформирующих роликов в свободном, безударном состоянии (справа от осевой линии) и положение конуса и деформирующих роликов в конце удара, где деформирующие ролики под действием статической и импульсной нагрузок максимально внедрены в заготовку (вид слева от осевой линии); на фиг.4 - поперечное сечение А-А на фиг.3, все деформирующие элементы находятся под нагрузкой; на фиг.5 - общий вид дорна в свободном, безударном, не рабочем состоянии, деформирующие элементы расположены на минимальном диаметре d; на фиг.6 - общий вид дорна в рабочем состоянии, деформирующие элементы расположены на максимальном диаметре D; на фиг.7 - элемент Б на фиг.4.

Предлагаемое устройство предназначено для чистовой обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД) с калиброванием и упрочнением металлических внутренних сложнопрофильных поверхностей, например шлицевых отверстий 1 заготовок 2 из сталей и сплавов многоэлементным деформирующим инструментом - дорном 3, к которому прикладывают статическую нагрузку P_СТ с помощью гидроцилиндра 4 и импульсную P_ИМ нагрузку с помощью силового гидроцилиндра 5, в котором расположены боек 6 и волновод 7.

Обрабатываемую заготовку 2 устанавливают на опорной плите 8 пресса 9. На фиг.2 показано поперечное сечение заготовки 2 втулки, обработанной с помощью предлагаемого устройства и имеющей сложнопрофильное шлицевое отверстие 1 с прямобочными шлицами, номинальные размеры которой z×d×D=10×112×120; b=18 мм, выполнены по ГОСТ 1139-58, при этом заготовка перед данным дорнованием имела диаметр отверстия d_ЗАГ≈116 мм.

Дорн 3 содержит: корпус 10, неподвижно закрепленный на штоке 11 гидроцилиндра 4 статической нагрузки; конус 12, подвижно установленный на штоке 11 с возможностью возвратно-поступательного перемещения на нем при действии волновода 7; винтовую цилиндрическую пружину 13 сжатия, расположенную на штоке 11 между корпусом 10 и конусом 12, и деформирующие элементы 14 в виде роликов, ширина которых равна ширине b шлицевого паза сложнопрофильного отверстия заготовки 2, расположенных в радиальных пазах 15 корпуса 10 с возможностью радиально-возвратного перекатывания при перемещении конуса относительно корпуса. Количество роликов определяется количеством шлицевых пазов обрабатываемого отверстия.

Конус 12 помимо конической части, взаимодействующей с роликами, имеет заборную часть с углом α и калибрующий поясок 12к, взаимодействующий с внутренним диаметром d шлицевого отверстия и калибрует его после пластического деформирования шлицевых пазов и радиального затекание металла.

Материал деформирующих элементов - роликов (например, твердый сплав ВК15, ВК15М) обеспечивает высокую износостойкость инструмента и высокую изгибную прочность. При малых нагрузках на инструмент можно применять сплав ВК8.

Детали дорна: шток, корпус, конус, волновод изготовляют из углеродистых сталей, закаленных до твердости HRC 40…45. В собранном виде радиальное биение деформирующих элементов - роликов не превышает 0,02…0,05 мм. Это требование выполняют за счет высокой точности изготовления деталей дорна. Особое внимание уделяют штоку (радиальное биение его не должно быть более 0,01…0,02 мм) и деформирующим элементам - роликам (торцовое и радиальное биение их не должно быть более 0,005…0,01 мм).

Пружину 13 изготовляют из проволоки, изготовленной, например, по ГОСТ 9389-75 из стали марки 65Г.

Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что на деформируемые элементы - ролики воздействует на конус 12, расположенный на штоке 11 и скользящий по нему. Конус 12 в безударном состоянии находится в дорне в верхнем положении (согласно фиг.3, 5) под действием пружины 13. При ударе бойка 6 по волноводу 7 конус 12 преодолевает сопротивление пружины 13, опускается вниз (согласно фиг.3, 6) и ролики радиально движутся от центра к периферии, образуя пазы в обрабатываемом шлицевом отверстии (фиг.4).

Волновод 7 находится в гидроцилиндре 5 (фиг.1) и имеет форму втулки, скользящей по штоку 11 и воспринимает на себя прикладываемую периодическую импульсную Р_ИМ нагрузку в виде удара бойком 6. Боек 6 расположен также в гидроцилиндре 5 и имеет форму втулки. Гидроцилиндр 5 имеет возможность продольного перемещения вдоль штока 11, согласованного с продольным перемещением дорна в обрабатываемом отверстии, и работает от гидравлического генератора импульсов (ГГИ) (не показан) [4, 5]. Волновод 7 и боек 6 выполнены в виде втулок одинакового диаметра.

Предлагаемое устройство служит для обработки поверхностным пластическим деформированием дорнованием внутренних поверхностей отверстий. Эту операцию выполняют перемещением с натягом инструмента - дорна через обрабатываемое отверстие заготовки, при этом к дорну прикладывают статическую и импульсную, периодическую нагрузки вдоль оси инструмента и обрабатываемого отверстия.

Заготовку 2 устанавливают в опорной плите 8, например, пресса или вертикально-протяжного станка (например, мод. 7Б65) и заходной направляющей частью вводят дорн в предварительно обработанное отверстие заготовки.

Обработку начинают с включения продольной подачи S_ПР, которая осуществляется благодаря постоянному действию на дорн штока 11, на который, в свою очередь, действует основная статическая нагрузка P_СТ, развиваемая гидроцилиндром 4. Одновременно включается в работу гидроцилиндр 5, вырабатывающий дополнительную периодическую импульсную нагрузку P_ИМ.

Периодическую импульсную нагрузку Р_ИМ осуществляют с помощью бойка 6, воздействующего на торец волновода 7, выполненных в виде втулок, расположенных на штоке 11. В качестве механизма импульсного нагружения инструмента применяют гидравлический генератор импульсов (не показан) [4, 5].

Статическое нагружение P_СТ и продольная подача S_ПР дорна осуществляется с помощью гидроцилиндра статического нагружения 4, поршень 16 и шток 11 которого соединен с дорном.

Импульсная нагрузка осуществляется гидроцилиндром 5, который работает от гидравлического генератора импульсов (не показан). Волновод 7 в виде втулки установлен в гидроцилиндре 5 на штоке 11 с возможностью продольного осевого перемещения и расположен между бойком 6 и конусом 12 дорна.

Исходный импульс, сформированный в бойке 6 в момент удара по волноводу 7, отражаясь от свободного торца бойка с противоположным знаком, доходит до волновода, одна его часть вновь отражается в боек, а другая переходит в волновод и распространяется в направлении нагружаемой поверхности. Дойдя до нагружаемой поверхности, последняя часть импульса распределяется на проходящий и отраженный. Проходящие волны деформации при равенстве длин бойка и волновода не накладываются и не разрываются, а следуют друг за другом, кроме того, при равенстве площадей контакта поперечных сечений бойка и волновода энергия удара наиболее полно реализуется в контакте с нагружаемой средой.

Деформирующие элементы дорна работает следующим образом.

Во время рабочего хода при действии только статической нагрузки P_СТ деформирующие элементы - ролики входят в отверстие заготовки с минимальным натягом и процесс поверхностного пластического деформирования будет проходить как при обычном традиционном дорновании.

При ударе бойка по волноводу, помимо действия статической нагрузки, на деформирующие элементы начинает действовать импульсная Р_ИМ нагрузка (фиг.3, 4, 6). Волновод скользит по штоку и перемещает вдоль штока конус, при этом пружина 13 сжимается, т.к. корпус остается неподвижным относительно штока. Импульсная нагрузка Р_ИМ действует на конус и далее на деформирующие элементы - ролики, которые преодолевают сопротивление металла заготовки, перемещаясь от центра к периферии, радиально воздействуют на обрабатываемую поверхность отверстия, образовывая пазы шириной b. Глубина пазов определяется диаметром ролика и диаметром конуса в месте их контакта.

Возникают окружные растягивающие и радиально сжимающие напряжения, позволяющие значительно увеличить глубину упрочненного слоя, повысить степень упрочнения и снизить высоту микронеровностей обрабатываемой поверхности (фиг.7).

При окончании действия импульсной нагрузки конус под действием пружины переместится вверх (согласно фиг.3, 5) и деформирующие элементы - ролики, свободно расположенные в радиальных пазах 15 корпуса 10, радиально перекатятся к центру благодаря продольному перемещению дорна относительно заготовки под действием статической нагрузки.

Таким образом, с каждым ударом бойка по волноводу деформирующие элементы - ролики радиально разводятся и воздействуют на обрабатываемую поверхность, создавая окружные растягивающие и радиально сжимающие напряжения. В промежутках времени между ударами ролики будут радиально сближаться к центру дорна под действием непрерывной статической нагрузки.

Предлагаемый дорн эффективно обрабатывает сложнопрофильные отверстия за счет пластической деформации поверхности отверстия профильными деформирующими элементами - роликами со статико-импульсной нагрузкой. При этом происходит упрочнение поверхностного слоя на бóльшую глубину, чем при обычном дорновании, повышение качества обработанной поверхности и приводит к уменьшению длины дорна.

Глубина упрочненного слоя предлагаемым устройством увеличивается и достигает 1,5…2,5 мм, что значительно (в 3…4 раза) больше, чем при традиционном статическом дорновании.

Наибольшая степень упрочнения составляет 25…30%. В результате статико-импульсной обработки по сравнению с традиционным дорнованием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возрастает в 2…2,6 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более, - в 1,6…2,2 раза.

Пример. Были проведены исследования влияния параметров статико-импульсного дорнования на показатели качества поверхностного слоя упрочненных сложнопрофильных шлицевых поверхностей отверстий заготовок-втулок. Использовали образцы заготовок-втулок со сложнопрофильным отверстием в виде прямобочных шлиц, размеры которых выполнены по ГОСТ 1139-58. Номинальный размер z×d×D=10×112×120; b=18 мм, материал заготовки - Сталь 18ХГТ ГОСТ 4543-71. Исходная шероховатость Ra=5…6,5 мкм. Обработку проводили роликами диаметром 30 мм из твердого сплава ВК15, при натягах калибрующего пояска конуса i=0,3…1,0 мм, угле заборного конуса α=3…12°, энергии ударов А=160 Дж, силе ударов P_ИМ=260 кН, силе статического поджатия P_СТ=40 кН, частоте ударов f=18 Гц. Обработку вели на модернизированном прессе с использованием специального ГГИ - гидравлического генератора импульсов [4, 5]. Модернизация касалась установки на прессе, на штоке дополнительного гидроцилиндра с волноводом и бойком, осуществляющих дополнительное периодическое импульсное нагружение, инструмента - дорна. Смазочно-охлаждающая жидкость - сульфофрезол. Скорость дорнования S_np=4,5 м/мин. Заготовка перед данным дорнованием имела диаметр отверстия d_ЗАГ≈116 мм.

В результате установлено, что после статико-импульсной обработки с использованием предлагаемого устройства шероховатость поверхностей шлицевого отверстия снизилась до Ra=0,054…1,5 мкм. Глубина упрочненного слоя достигала 8 мм, причем глубина и степень упрочнения возрастала с увеличением толщины стенки и натяга.

Исследованиями качества поверхностного слоя отверстий, упрочненных деформируемым сложнопрофильным инструментом предлагаемого устройства, установлено, что обеспечиваемая шероховатость поверхности и глубина упрочнения позволяет использовать разработанное устройство в процессе изготовления заготовок в качестве упрочняющей и формообразующей оснастки на отделочно-упрочняющих операциях.

В результате проведенных исследований установлено, что применение предлагаемого устройства позволяет получить поверхностный слой с большой глубиной и большой степенью упрочнения.

Обработка показала, что производительность повысилась более чем в три раза по сравнению с обкатыванием, протягиванием и выглаживанием, используемым на базовом предприятии в ОАО "Ливгидромаш". Энергоемкость процесса уменьшилась в 2,2 раза.

Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности поверхностного пластического деформирования за счет комбинированной обработки внутренних сложнопрофильных фасонных поверхностей с применением статико-импульсного нагружения деформирующих элементов, при прохождении которых возникают окружные растягивающие и радиально сжимающие напряжения, позволяющие значительно увеличить глубину упрочненного слоя, повысить степень упрочнения и снизить высоту микронеровностей обрабатываемых поверхностей, увеличить производительность и уменьшить потребляемую мощность.

Источники информации

1. Монченко В.П. Эффективная технология производства полых цилиндров. - М.: Машиностроение, 1980. С.31…33; рис.20.

2. Патент РФ №2 312757. МПК В24В 39/02. Устройство для статико-импульсного дорнования отверстий методом протягивания. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Афанасьев Б.И., Фомин Д.С., Селеменев К.Ф. Заявка №2006116871/02. 16.05.2006; 20.12.2007 - прототип.

3. Патент РФ №2 312754. МПК В24В 39/02. Способ статико-импульсного дорнования отверстий методом протягивания. Степанов Ю.С., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Афанасьев Б.И., Фомин Д.С., Селеменев К.Ф. Заявка №2006115432/02. 04.05.2006; 20.12.2007.

4. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН, 1999, №6. - С.20-24.

5. Патент РФ №2090342. МПК⁶ В24В 39/04. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей ППД. 95122309/02. 21.12.95. 20.09.97. Бюл. №26.