УСТРОЙСТВО СТАТИКО-ИМПУЛЬСНОЙ ДЕФОРМИРУЮЩЕ-РЕЖУЩЕЙ ОБРАБОТКИ С КАЛИБРОВАНИЕМ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОТВЕРСТИЙ ДЕТАЛЕЙ

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам и устройствам для чистовой комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием с калиброванием и упрочнением металлических внутренних поверхностей отверстий деталей из сталей и сплавов со статико-импульсным нагружением деформирующе-режущего инструмента.

Известен инструмент - протяжка, содержащая деформирующе-режущие элементы, имеющие на наружной поверхности выполненные под углом к оси протяжки заборный и обратный конусы с расположенной между ними цилиндрической ленточкой, канавки и выступы равной ширины [1]. Канавки расположены под углом к оси протяжки с образованием положительного переднего угла в нормальном сечении к боковой поверхности канавки, причем положительный передний угол расположен с левой стороны переднего торца при правом расположении канавок или с правой стороны переднего торца при левом расположении канавок, причем длина рабочего участка режущей кромки и расстояние от начала цилиндрической ленточки до заднего торца деформирующе-режущего элемента в проекции на ось протяжки определены по приведенному соотношению.

Известный инструмент отличается ограниченными технологическим возможностями, недостаточно большим натягом, незначительной глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой внутренней поверхности, низким КПД и большой энергоемкостью оборудования, относительно низкой производительностью в крупносерийном и массовом производстве.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей чистовой обработки внутренних поверхностей за счет применения группового комбинированного деформирующе-режущего инструментами со статико-импульсным нагружением, позволяющего управлять глубиной упрочненного слоя, степенью упрочнения и микрорельефом внутренних поверхностей отверстий, а также снижение энергоемкости оборудования, повышение КПД оборудования и производительности обработки.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства статико-импульсной деформирующе-режущей обработки с калиброванием металлических внутренних поверхностей отверстий деталей, содержащее инструмент с деформирующе-режущими элементами, количество которых выбрано четным, имеющими на наружной поверхности выполненные под углом к оси инструмента заборный и обратный конусы с расположенной между ними цилиндрической ленточкой, канавки и выступы равной ширины, причем канавки расположены под углом к оси протяжки с образованием положительного переднего угла в нормальном сечении к боковой поверхности канавки и положительный передний угол расположен с левой стороны переднего торца при правом расположении канавок или с правой стороны переднего торца при левом расположении канавок, при этом оно содержит несколько инструментов, количество которых равное количеству обрабатываемых отверстий, и снабжено гидроцилиндром, в котором расположены боек и волновод, выполненный с возможностью приложения к нему статической нагрузки и посредством бойка периодической импульсной нагрузки, гидравлическим генератором импульсов для питания гидроцилиндра, причем волновод и боек выполнены в виде стержней одинакового диаметра с возможностью передачи силовой нагрузки на инструменты через коромысло, имеющее захватные устройства для каждого инструмента и волновода.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема чистовой комплексной обработки группы в количестве четырех отверстий деформирующе-режущими инструментами со статико-импульсным нагружением; на фиг.2 - общий вид конструкции деформирующе-режущего инструмента, частичный продольный разрез; на фиг.3 - деформирующе-режущий элемент, частичный продольный разрез; на фиг.4 - разрез А-А на фиг.3; на фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.6 - развертка рабочей поверхности деформирующе-режущих элементов, на фиг.7 - вид по В на фиг.1, обрабатываемая заготовка - диск, имеющая группу из четырех обрабатываемых отверстий, на фиг.8 - обрабатываемая заготовка - втулка, имеющая группу из четырех обрабатываемых внутренних шлицевых пазов; на фиг.9 - обрабатываемая заготовка - диск, имеющая группу из четырех обрабатываемых внешних шлицевых пазов.

Предлагаемое устройство предназначено для чистовой комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием (ППД) с калиброванием и упрочнением металлических внутренних поверхностей 1 группы отверстий заготовки 2 из сталей и сплавов деформирующе-режущими инструментами 3 одновременно, к которым прикладывают статико-импульсную нагрузку с помощью силовых гидроцилиндров 4.

Обрабатываемую заготовку устанавливают на опорной плите 5 станка 6.

Устройство состоит из деформирующе-режущих инструментов [2], содержащих деформирующе-режущие элементы 7, смонтированные на оправке 8 [1], к которой прикладывают статическую Р_СТ и динамическую импульсную Рим нагрузку с помощью силовых гидроцилиндров.

Деформирующе-режущие элементы, количество которых выбрано на каждом инструменте четным, имеют на наружной поверхности выполненный под углом а к продольной оси заборный конус 9 и под углом β обратный конус 10 с расположенной между ними цилиндрической ленточкой 11.

На рабочей поверхности деформирующе-режущих элементов выполнены канавки 12, ширина b которых (фиг.2-6) равна ширине образованных выступов 13. Боковые стороны канавки выполнены под углом γ₁ к продольной оси инструмента в плоскости поперечного сечения деформирующе-режущего элемента (фиг.4), причем угол γ₁ выполнен положительным с левой стороны переднего торца каждого элемента при правом расположении канавок и, наоборот, положительным с правой стороны переднего торца элемента при левом расположении канавок.

Кроме того, канавки выполнены под углом ω к продольной оси инструмента так, что точка А (фиг.6), определяющая начало образования выступов на обрабатываемой поверхности, располагается от начала цилиндрической ленточки на расстоянии l по оси инструмента, величина которого определяется по формуле

l=[b·cos(arctg(sinω-tgα))]/sinω-cosγ, мм;

где угол γ (фиг.5) определяется в сечении, нормальном к боковой поверхности канавки, а величина его равна статическому переднему углу режущей кромки, которая образуется при пересечении заборного конуса, выполненного под углом а к оси инструмента, цилиндрической ленточки и обратного конуса с левой боковой поверхности канавки при правом их расположении.

Таким образом, точка А определяет начало режущей кромки на заборном конусе, а расстояние от точки А до начала цилиндрической ленточки - длину рабочего участка режущей кромки на заборном конусе. Задний торец деформирующе-режущего элемента выполняют на расстоянии не меньше, чем l (фиг.6) по оси инструмента от точки Е, определяющей начало цилиндрической ленточки. Каждый предыдущий деформирующе-режущий элемент располагается на оправке таким образом, что точка F, располагающаяся на пересечении правой боковой поверхности от переднего торца деформирующе-режущего элемента, заборного конуса и плоскости поперечного сечения, проходящей через точку Е начала рабочего участка цилиндрической ленточки в осевом направлении, совпадает с точкой E₁ последующего деформирующе-режущего элемента. При этом количество деформирующе-режущих элементов выбрано четным.

Инструмент работает следующим образом. Во время рабочего хода первый элемент входит в отверстие заборной частью в точке А (фиг.6) и начинает пластически увеличивать диаметр отверстия в зоне выступов деформирующе-режущего элемента и в меньшей степени в зоне канавок, за счет чего на поверхности отверстия образуются выступы, испытывающие окружные растягивающие напряжения.

Но поскольку левая боковая поверхность канавки при правом их расположении на элементе встает на пути движения образующегося на поверхности отверстия выступа, последний начинает срезаться. При этом резание осуществляется в зоне растяжения, что способствует снижению сил резания, так как предварительное растяжение способствует накоплению степени разрушения в срезаемом слое, а также увеличивает показатель напряженного состояния в зоне резания.

Процесс срезания стружки начинается в точке А, то есть в зоне образования выступа на обрабатываемой поверхности, и по мере продвижения деформирующе-режущего элемента ширина стружки увеличивается. При вхождении точки В в зону обработки ширина стружки равна длине отрезка главной режущей кромки АЕ=//(cosα·cosω), мм; где α - угол заборного конуса деформирующе-режущего элемента.

При этом увеличивается и толщина срезаемого слоя «а», максимальная величина a_MAX, которого равна максимальной высоте Н_МАХ образующихся выступов.

Экспериментально установлено: H≈(0,12…0,2)·i, мм; где i - натяг на деформирующий элемент.

При дальнейшем движении инструмента материальная точка С заготовки должна войти в зону обработки последней в точке D режущей кромки, пройдя путь, равный 21. При этом материальная точка С испытает максимальную степень деформации, так как она пройдет максимальный отрезок CF по заборному конусу элемента, то есть в этих точках высота образованного выступа будет равна нулю.

Таким образом, в точке D режущей кромки процесс резания происходить не будет, поэтому ширина стружки, продолжая увеличиваться, достигнет величины AD, а толщина стружки будет уменьшаться до нуля. То есть при перемещении деформирующе-режущего элемента на величину 2l процесс стабилизируется, ширина стружки будет равна 2l до выхода элемента из отверстия.

При выходе из отверстия ширина стружки будет изменяться в обратном порядке, уменьшаясь до нуля. Соответственно, сила резания и деформирования при входе элемента в зону резания и выходе из нее будет изменяться не скачкообразно, а постепенно, что значительно снижает вибрации и, как следствие, волнистость обработанной поверхности.

Выполнение канавок под углом со к вектору главного движения значительно снижает силы резания, так как увеличивается кинематический передний угол γ_K=arctg(tgγ/sinω), а процесс резания становится косоугольным.

Форма срезанного слоя представляет собой практически равнобедренный треугольник ACG, причем максимальная толщина BG=a_MAX находится в средней части срезаемого слоя. При угловом смещении предыдущего элемента относительно следующего за счет совмещения по оси точки F предыдущего элемента с точкой Е₁ следующего, достигается равномерное удаление припуска по окружности отверстия. Максимальная толщина срезаемого следующим элементом слоя B₁G₁ совпадает с точками А и С, в которых материал не срезается предыдущим элементом.

Кроме того, равномерное срезание слоев металла по окружности обеспечивается только при четном количестве деформирующе-режущих элементов.

Таким образом, инструмент эффективно увеличивает отверстие за счет пластической деформации отверстия участками заборного конуса, а также обеспечивает срезание механически упрочненного поверхностного слоя, что приводит к уменьшению длины инструмента и повышению качества обработанной поверхности.

Предлагаемое устройство предназначено для статико-импульсного деформирующе-режущей обработки группы отверстий на станках. Для чего волновод 14 соединен с инструментами посредством захватного устройства 15, закрепленного на одном торце коромысла 16. На противоположном торце коромысло имеет захватные устройства 17, количество которых равно количеству инструментов.

Таким образом, силовая нагрузка на инструменты передается через захватные устройства 15 и 17 и коромысло 16.

Данный групповой инструмент желательно применять при симметричном расположении обрабатываемых отверстий и равноудаленных относительно центральной продольной оси заготовки.

На инструменты воздействует шток гидроцилиндра, который является волноводом 14 и к которому дополнительно прикладывают периодическую импульсную Р_ИМ нагрузку посредством бойка 18, расположенного в гидроцилиндре 19, питаемого гидравлическим генератором импульсов (ГГИ) (не показан) [3, 4]. Волновод 14 и боек 18 выполнены в виде стержней одинакового диаметра.

Предлагаемое устройство служит для комбинированной одновременной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием внутренних поверхностей группы отверстий. Эту операцию выполняют перемещением с натягом инструментов через обрабатываемые отверстия заготовки, при этом к инструментам прикладывают статическую и импульсную, периодическую нагрузки вдоль осей инструментов и обрабатываемых отверстий.

Заготовку 2 устанавливают в опорной плите 5, например, вертикально-протяжного станка мод. 7Б65 и заходной направляющей частью 20 вводят инструменты в предварительно обработанные отверстия заготовки.

Обработку начинают с включения продольной подачи S_ПР, которая осуществляется благодаря постоянному действию на инструменты волновода 14, на который, в свою очередь, действует основная статическая нагрузка Р_СТ и дополнительная периодическая импульсная нагрузка Р_ИМ. Последнюю осуществляют с помощью бойка 18, воздействующего на торец волновода 14, выполненные в виде стержней одинакового диаметра.

В качестве механизма импульсного нагружения инструмента применяют гидравлический генератор импульсов (не показан) [3,4].

Статическое нагружение Р_СТ и продольная подача S_ПР волновода осуществляется с помощью гидроцилиндра статического нагружения 21, поршень 22 которого жестко связан штоком 23 с гидроцилиндром 19.

Волновод 14 установлен в гидроцилиндре 19 с возможностью продольного осевого перемещения и содержит лыску с размещенным в ней и в выточке гидроцилиндра 19 штифтом 24, последний препятствует провороту волновода относительно продольной оси и ограничивает ход волновода.

Исходный импульс, сформированный в бойке в момент удара по волноводу, 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 нагружаемых поверхностей. Дойдя до нагружаемых поверхностей, 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 [5, 6].

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

Наибольшая степень упрочнения составляет 15…30%. В результате статико-импульсной обработки по сравнению, например, с традиционным раскатыванием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более возрастает в 1,8…2,7 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более - в 1,7…2,2 раза.

На фиг.8 и 9 приведены примеры конструкций деталей, помимо заготовки диска (фиг.7), заготовки которых могут быть обработаны предлагаемым устройством на операции чистовой и отделочной обработки группы отверстий.

На фиг.8 представлена обрабатываемая заготовка - втулка, имеющая группу из четырех обрабатываемых внутренних шлицевых пазов. Обрабатываемым инструментом для этой заготовки является инструмент с квадратным поперечным сечением деформирующе-режущих элементов (не показана). Кроме того, при обработки пазов в заготовке - втулке используется технологическая вставка, форма которой приведена на фиг.8 и которая устанавливается в центральное отверстие втулки.

На фиг.9 представлена обрабатываемая заготовка - диск, имеющий группу из четырех обрабатываемых внешних шлицевых пазов. Обрабатываемым инструментом для этой заготовки является оправка с квадратным поперечным сечением с деформирующе-режущими элементами (не покаана). При обработки пазов в заготовке - диске используется технологическая вставка втулка, форма которой приведена на фиг.9 и в центральное отверстие которой устанавливается обрабатываемый диск.

Пример. Обрабатывали с использованием предлагаемого устройства четыре отверстия диаметром 30 мм в заготовке диска (фиг.7) из материала - сталь 18ХГТ ГОСТ 4543-74, твердость НВ 207-228, масса - 15,8 кг.

Обработку производили четырьмя инструментами с двумя деформирующе-режущими элементами каждый, диаметром элемента 30 мм и высотой 15 мм, из стали Х12МФ по ГОСТ 5950-2000 HRC 58…62, имеющими: длину заборного конуса 9 мм, обратного конуса 4,5 мм, ширину ленточки 1,5 мм, углы: α=4,5°, β=7,5°, γ=5°, ω=35°, длина рабочего участка режущей кромки более 7,4 мм.

Обработку вели на модернизированном вертикально-протяжном станке мод. 7Б65 с использованием специального ГТИ - гидравлического генератора импульсов [3, 4]. Модернизация касалась перевода станка из «тянущего» режима в «толкающий», установки на станке, на толкающем штоке волновода, бойка и корпуса гидроцилиндра, осуществляющих дополнительное периодическое импульсное нагружение инструментов.

Смазочно-охлаждающая жидкость - сульфофрезол. Скорость обработки S_np=4 м/мин. Наибольшее значение энергии ударов, развиваемые ГГИ, А=280 Дж (сила удара 260 кН, скорость удара 7,2 м/с), при частоте ударов f=5…15 Гц. Натяг инструмента составлял i=0,1…0,25 мм на диаметр. Статическое нагружение осуществлялось силой до Р_СТ=40 кН.

Обработка показала, что параметр шероховатости обработанных поверхностей отверстий уменьшился до значения Ra=0,5…0,065 мкм при исходном - Ra=5…6,5 мкм, производительность повысилась более чем в три раза по сравнению с раскатыванием трехроликовым раскатником и предварительным развертыванием, используемом на базовом предприятии в ОАО "Ливгидромаш". Энергоемкость процесса уменьшилась в 2,2 раза. Глубина упрочненного слоя достигла 1,6…2,1 мм. Наибольшая степень упрочнения составляла 18…25%. В результате статико-импульсной обработки эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более возросла в 1,9…2,3 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более - в 1,8…2,1 раза.

Предлагаемое устройство позволяет повысить производительность, вести обработку с большим натягом, значительной глубиной упрочненного слоя и достаточно высокой степенью упрочнения, высоким КПД и минимальной энергоемкостью оборудования.

Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием за счет применения статико-импульсного нагружения деформирующе-режущих инструментов в количестве, равном количеству обрабатываемых отверстий, а также за счет управления глубиной упрочненного слоя и микрорельефом обрабатываемых внутренних поверхностей.

Источники информации, принятые во внимание

1. Патент РФ №2237552. МПК B23D 43/02. Деформирующее-режущая протяжка. С.К. Амбросимов, О. Н. Крюков. Заявка №2003109772/02. 07.04.2003; 10.10.2004 - прототип.

2. 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, 1986. С.397…410.

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

4. 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.

5. Патент РФ №2312757. 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. За явка №2006116871/02. 16.05.2006;. 20.12.2007.

6. Патент РФ №2312754. 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. За явка №2006115432/02. 04.05.2006; 20.12.2007.