Результат интеллектуальной деятельности: Ролик обкатной

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к поверхностному пластическому деформированию деталей с помощью роликовых обкатников.

Из существующего уровня техники известен накатной ролик (SU №1816671, МПК В24В 39/04, B21D 3/02, опубликовано 23.05.1993 г.), представляющий собой ролик, содержащий правящий элемент, который выполнен в виде части эллипсоида вращения, сопряженного с прямым круговым усеченным конусом, образующие которого касательны к эллипсоиду вращения.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого ролика, являются наличие оси вращения, наличие деформирующего элемента с профильным радиусом, наличие торцевой поверхности ролика.

Недостатком известного технического решения является достаточно сложная технологическая оснастка, обеспечивающая угол поворота оси вращения ролика.

Известен ролик для упрочняюще-чистовой обработки (SU №633718, МПК В24В 39/04, опубликовано 28.11.1978 г.), представляющий собой ролик для упрочняюще-чистовой обработки с деформирующей частью, выполненной по радиусу, радиус кривизны рабочей поверхности которого в осевом сечении выполнен переменным по периметру.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого ролика, являются наличие оси вращения, параллельной оси вращения изделия, наличие торцевой поверхности ролика, наличие одного деформирующего элемента.

Недостатком известного технического решения является непостоянство отпечатка по мере поворота ролика и в связи с этим отсутствие регулярного профиля, что приводит к неоднородности обработанной поверхности.

Известен ролик обкатной двухрадиусный (RU 2530600, МПК В24В 39/04, опубликовано 10.10.2014 г.), представляющий собой ролик, который содержит два деформирующих элемента с профильным радиусом 0,5-5 мм, расположенных относительно друг друга со смещением в радиальном направлении на величину 0,01-0,1 мм как к оси ролика, так и от нее.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого ролика, являются наличие оси вращения, параллельной оси вращения изделия, наличие деформирующего элемента с профильным радиусом, наличие торцевой поверхности ролика.

Недостатком известного технического решения является большая площадь контакта ролика с заготовкой, вследствие этого большие радиальные нагрузки на обрабатываемое изделие и элементы станка.

За прототип принят обкатной ролик согласно ГОСТ 16344-70 «Ролики обкатные. Конструкция и размеры». Согласно ГОСТ 16344-70 обкатной ролик выполняется с одним деформирующим элементом торовой формы с постоянным профильным радиусом.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого ролика, являются наличие оси вращения, параллельной оси вращения изделия, наличие одного деформирующего элемента, наличие торцевой поверхности ролика.

Недостатком известного технического решения является большая площадь контакта ролика с заготовкой, вследствие этого большие радиальные нагрузки на обрабатываемое изделие и элементы станка.

Задачей, на которую направлено заявленное изобретение, является расширение возможностей обработки поверхностным пластическим деформированием и увеличение номенклатуры обрабатываемых изделий.

Технический результат изобретения заключается в интенсификации напряженного состояния при обкатке роликами и (или) снижении прижимного усилия Р без ухудшения параметров обработанной поверхности.

Указанный технический результат достигается тем, что в ролике обкатном, содержащем деформирующий элемент, согласно изобретению деформирующий элемент выполнен асимметричной формы с двумя профильными радиусами разного размера, заменяющими друг друга в вершине, причем меньший профильный радиус расположен на фронтальной стороне ролика и равен r_пр=0,8…3 мм, а больший профильный радиус расположен на тыльной стороне ролика и равен R_пр=1,5…3r_пр.

Отличием от прототипа является то, что применен деформирующий элемент асимметричной формы с двумя профильными радиусами разного размера, заменяющими друг друга в вершине, причем меньший профильный радиус расположен на фронтальной поверхности ролика, а больший профильный радиус расположен на тыльной стороне ролика. Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «новизна».

Выполнение деформирующего элемента асимметричной формы с двумя профильными радиусами разного размера, заменяющими друг друга в вершине, позволяет уменьшить площадь контакта ролика обкатного с заготовкой, что приводит к уменьшению прижимного усилия и (или) интенсификации напряженного состояния, ухудшения параметров обработанной поверхности не происходит за счет сохранения большего профильного радиуса на тыльной стороне ролика на уровне профильного радиуса ролика прототипа, что не следует явным образом из известного уровня техники и доказывает соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема образования микропрофиля при обкатке роликом; на фиг. 2 изображен процесс обработки изделия роликом обкатным асимметричным; на фиг. 3 схематично изображена конструкция ролика обкатного; на фиг. 4 представлены графики распределения остаточных напряжений при обработке тороидальным и асимметричным роликами.

Ролик обкатной представляет собой ролик для проведения поверхностного пластического деформирования, содержащий один деформирующий элемент, выполненный асимметричной формы с двумя профильными радиусами разного размера, заменяющими друг друга в вершине, причем меньший профильный радиус расположен на фронтальной поверхности ролика, а больший профильный радиус расположен на тыльной стороне ролика.

Устройство работает следующим образом.

При обработке (фиг. 1) ролик 1, к которому приложена прижимная сила Р, перемешается вдоль оси, вращающейся со скоростью n заготовки 2 с подачей S, причем в случае с асимметричным обкатным роликом направление обработки принимается от меньшего радиуса профиля r_пр, расположенного на фронтальной стороне 3, к большему радиусу профиля R_пр, расположенному на тыльной стороне 4. Основная деформация происходит в зоне контакта обрабатываемой поверхности 5 с меньшим радиусом профиля r_пр, а вторая часть ролика с большим радиусом профиля R_пр служит для более плавного снятия давления с обработанной поверхности 6. При этом согласно схеме образования микропрофиля (фиг. 2) на обработанной поверхности уменьшение профильного радиуса R_пр до размера r_пр, при прочих равных параметрах обработки (шаг подачи S, нагрузки на ролик Р) приведет к увеличению микронеровностей на величину Δh (штриховая линия – профиль, получаемый при обработке торовым роликом с профильным радиусом r_пр, сплошная линия – профиль, получаемый при обработке асимметричным обкатным роликом с профильным радиусом R_пр). Сохранение микропрофиля обработанной поверхности на уровне ролика прототипа достигается за счет сохранения размера R_пр, обращенного к обработанной поверхности, без изменения.

Уменьшение прижимного усилия достигается за счет уменьшения площади контакта. Уменьшение площади контакта достигается за счет применения r_пр меньшим, чем R_пр (фиг. 3).

Достоинством предлагаемого асимметричного обкатного ролика является уменьшение прижимного усилия без ухудшения параметров обработанной поверхности, что актуально при обработке изделий с малой жесткостью, для которых ограничена допустимая радиальная нагрузка, так, при помощи моделирования установлено, что при прочих равных условиях (шаг подачи S, прижимной силы Р), для достижения аналогичных по амплитуде сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое обработанного материала, образование которых происходит при поверхностном пластическом деформировании, нагрузку на рабочий инструмент можно уменьшить более чем на 15%, однако в таком случае глубина распространения сжимающих напряжений, а значит, и глубина упрочнения, уменьшится. При условии соблюдения постоянства глубины расположения сжимающих остаточных осевых напряжений, параметров шероховатости обработанной поверхности нагрузку можно уменьшить на 7-10% от аналогичной для ролика-прототипа. Так, при моделировании процесса обработки стали 30ХГСА тороидальным роликом с профильным радиусом 3 мм и асимметричным роликом с большим профильным радиусом R_пр=3 мм и меньшим профильным радиусом r_пр=1 мм при прижимном усилии Р=500Н установлено, что асимметричный ролик позволяет увеличить осевые остаточные сжимающие напряжения от 614 МПа до 646 МПа и окружные сжимающие остаточные напряжения от 508 МПа до 529 МПа (фиг. 4), что подтверждает факт интенсификации процесса обработки.