Способ поверхностного пластического деформирования

Способ поверхностного пластического деформирования

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к обработке деталей машин поверхностным пластическим деформированием (ППД), к обработке давлением внутренних и наружных цилиндрических и других поверхностей вращения.

Известен способ ППД инструментом, представляющим собой ролик с торообразным пояском, который устанавливается параллельно обкатываемой поверхности заготовки, при этом последней сообщают вращательное движение относительно собственной продольной оси, а инструменту, оказывающему давление на поверхность обрабатываемой заготовки, сообщают продольную подачу [1].

Недостатком известного инструмента является большая вероятность появления пластической волны при обкатывании в продольном направлении, способствующей образованию трещин и отслаиванию поверхностного обрабатываемого слоя.

Задача изобретения - повышение качества обрабатываемой поверхности путем уменьшения пластической волны в направлении подачи за счет конструкции обкатного инструмента, представляющего собой ролик, у которого перед цилиндрическим упрочняющим пояском и после него имеются сглаживающие конуса.

Поставленная задача решается предлагаемым способом поверхностного пластического деформирования тел вращения, при котором заготовке сообщают вращательное движение относительно собственной продольной оси, а инструменту, представляющему собой обкатной ролик и оказывающему давление на поверхность обрабатываемой заготовки, сообщают продольную подачу, причем рабочая часть инструмента является трехступенчатой поверхностью, состоящей из переднего сглаживающего конуса с углом конусности 2...5°, цилиндрического упрочняющего пояска торообразного со стороны переднего сглаживающего конуса и заднего сглаживающего конуса с обратным углом конусности 1...3°, соответственно расположенные последовательно в направлении продольной подачи, при этом инструмент нагружают поперечной силой до тех пор, пока передний сглаживающий конус своим основанием диаметром d_пк не будет касаться поверхности заготовки, кроме того, диаметр цилиндрического упрочняющего пояска определяется по формуле:

d_пц=d_пк+2Δ,

где d_пц - диаметр цилиндрического упрочняющего пояска, мм;

d_пк - наибольший диаметр переднего сглаживающего конуса, мм;

Δ - величина, на которую изменяется размер детали после обработки, мм.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами.

На фиг.1 показана конструкция ролика, реализующего предлагаемый способ, для обкатывания поверхностей вращения, частичный продольный разрез; на фиг.2 - схема обработки поверхностным пластическим деформированием вала обкатным роликом по предлагаемому способу; на фиг.3 - второй вариант конструкции обкатного ролика, представляющего собой сборный инструмент, продольный разрез по Б-Б на фиг.4; фиг.4 - сборный инструмент, вид слева по А на фиг.3.

Предлагаемый способ реализуется инструментом, представляющим собой трехступенчатый деформирующий ролик, который служит для обработки поверхностным пластическим деформированием деталей тел вращения в составе одно- и многороликовых приспособлений.

Способ поверхностного пластического деформирования тел вращения заключается в том, что заготовке сообщают вращательное движение относительно собственной продольной оси, а инструменту, представляющему собой обкатной ролик и оказывающему давление на поверхность обрабатываемой заготовки, сообщают продольную подачу.

Рабочая поверхность ролика имеет три пояска, расположенных последовательно в направлении продольной подачи. Передний сглаживающий конус 1 высотой b_пк с максимальным диаметром d_пк и углом конусности 2...5° служит для сглаживания пластической волны, идущей перед основным деформирующим пояском в направлении продольной подачи, что уменьшает вероятность образования трещин и отслаивания обработанного поверхностного слоя (фиг.2). Поясок 2 шириной b_пц и диаметром d_пц имеет цилиндрическую форму и является основным деформирующим элементом. Со стороны сглаживающего конуса 1 рабочий профиль цилиндрического упрочняющего пояска 2 имеет форму тора с радиусом профиля R_пр=0,8...16,0 мм.

Перед обкатыванием инструмент нагружают поперечной силой до тех пор, пока передний сглаживающий конус 1 своим большим основанием диаметром d_пк не будет касаться поверхности заготовки.

Диаметр цилиндрического упрочняющего пояска 2 зависит от величины, на которую изменяется размер заготовки после обработки и определяется по формуле:

d_пц=d_пк+2Δ,

где d_пц - диаметр цилиндрического упрочняющего пояска 2, мм;

d_пк - наибольший диаметр переднего сглаживающего конуса 1, мм;

Δ - величина, на которую изменяется размер заготовки после обработки, мм.

Задний конус 3 с обратным углом конусности 1...3° служит для сглаживания остаточной пластической волны, идущей после контакта упрочняющего пояска 2 деформирующего элемента с заготовкой, что улучшает шероховатость обработанной поверхности. Диаметр его большего основания равен диаметру d_пц упрочняющего пояска 2, а высота соответствует высоте d_пк переднего сглаживающего конуса 1.

Принцип работы предлагаемого инструмента для обкатывания заключается в следующем. Ролик инструмента традиционно закрепляют, например, в державке 4 или другом многороликовогом приспособлении [1].

Заготовке, например, валу 5 придают вращательное движение со скоростью V_З, а обкатному инструменту сообщают усилие обкатывания Р за счет поперечного перемещения до тех пор, пока передний сглаживающий конус 1 своим большим основанием диаметром d_пк не будет касаться поверхности заготовки, а затем включают продольную подачу S_пр.

Передний сглаживающий конус 1, соприкасаясь с необработанной поверхностью заготовки непосредственно вблизи зоны деформирования, сглаживает пластические волны, идущие перед деформирующим пояском 2 в направлении продольной подачи, что уменьшает вероятность образования трещин и отслаивания обработанного поверхностного слоя (см. фиг.2).

Задний сглаживающий конус 3, соприкасаясь с уже обработанной поверхностью заготовки непосредственно вблизи зоны деформирования, сглаживает остаточные пластические волны, идущие после прохождения деформирующего пояска 2 в обратном направлении продольной подачи, что также уменьшает вероятность образования трещин, отслаивания обработанного поверхностного слоя (см. фиг.2) и улучшает шероховатость поверхности.

Производительность процесса обкатывания определяется высотой цилиндрического упрочняющего пояска b_пц ролика. Ролик с большой высотой b_пц позволяет вести обработку с большой подачей (до 2,5 мм/об), однако в этом случае для получения высокого качества поверхности необходимо создавать большие рабочие усилия Р. От значения допустимого рабочего усилия Р зависят параметры ролика. Чем больше ширина b_пц цилиндрического пояска, тем больше может быть подача. При обработке массивных деталей на крупных станках поясок b_пц следует делать более широким (более 12...15 мм), так как обработать такие детали на большой частоте вращения довольно сложно, а большая подача может быть применена с успехом. Для обработки деталей меньшей жесткости, когда усилие обкатывания не должно быть большим, применяют ролики с пояском шириной 2...5 мм. Твердость рабочей поверхности роликов из сталей HRC 62...65. Параметр шероховатости поверхности рабочего профиля R_а=0,32 мкм.

Для расширения диапазона применения данного способа, а инструменту придания универсальности предлагается сборная конструкция обкатного ролика (см. фиг.3-4), позволяющая подбирать величину Δ, на которую изменяется размер детали после обработки.

Сборная конструкция инструмента состоит из ступицы 6 с цилиндрической упрочняющей рабочей частью 2, на которую напрессовываются сменные кольца 7 и 8. Периферийная наружная поверхность сменного кольца 7 представляет собой сглаживающий конус 1. Наружная поверхность сменного кольца 8 выполнена как обратный сглаживающий конус 3. Для предохранения от проворачивания колец 7 и 8 на ступице 6 в сборную конструкцию запрессовывается конический или цилиндрический штифт 9. Для демонтажа колец 7 и 8 путем ввинчивания винтов в каждом из них имеются по два резьбовых отверстия 10.

Торцовое биение ролика, реализующего предлагаемый способ, на диаметрах d_пк и d_пц относительно посадочного отверстия должно соответствовать IX степени точности по ГОСТ 24643-81. Размер R_пр выбирают для заданного диапазона из ряда: 0,8; 1; 1,2; 1,6; 2; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0; 12,0; 16,0. Материал роликов - сталь ШХ15, твердость HRC 63...65. Параметр шероховатости поверхности рабочего профиля R_a=0,32 мкм.

Достоинствами предлагаемого способа ППД трехступенчатым деформирующим роликом тел вращения являются:

- возможность вести обкатывание на максимальных подачах по сравнению с известными деформирующими элементами;

- уменьшение погрешности предшествующей обработки;

- увеличение пятна контакта, за счет чего достигается более высокое качество обработки;

- образование определенных макро- и микрогеометрических форм обработанной поверхности, уменьшение параметров шероховатости - сглаживание поверхности, изменение структуры материала - поверхностный наклеп и создание определенного напряженного состояния, благоприятно действующего на износостойкость.

Пример. Обрабатывался обкатыванием вал, который имел следующие размеры: общая длина - 150 мм, диаметр поперечного сечения вала - D27^-0,05 мм, шероховатость R_a=0,4 мкм; материал - сталь 18ХГТ ГОСТ 4543-74, твердость НВ 207...228, масса - 0,8 кг. Предварительная обработка точением и финишная обработка обкатыванием проводилась на токарно-винторезном станке мод. 16К20, окружная скорость заготовки - v_з=84,78 м/мин (1,41 м/с), n_з=1000 об/мин, продольную подачу принимали S_пр=0,4 мм/об, наружный диаметр ролика - 50 мм, общая высота - 19 мм, высота переднего и заднего сглаживающих конусов - 6 мм, высота упрочняющего пояска - 7 мм, профильный радиус - R_пр=3 мм. Диаметр цилиндрического упрочняющего пояска больше максимального диаметра переднего сглаживающего конуса на 0,06 мм. Усилие обкатывания составляло около ≈ 1700 Н, глубина наклепанного слоя находилась в пределах 0,15...0,20 мм; величина, на которую изменился размер после обкатки - 0,03...0,06 мм; смазывающе-охлаждающей жидкостью при обкатывании служил сульфофрезол (5%-ная эмульсия).

Требуемая шероховатость и точность поверхности была достигнута через Т_м=0,8 мин (против Т_м ^баз=1,75 мин по базовому варианту при традиционном обкатывании тороидальным роликом, выполненным по ГОСТ 16344-70). Контроль проводился скобой индикаторной с индикатором ИЧ 10 Б кл. 1 ГОСТ 577-68. В партии в 50 шт. брак не обнаружен.

Благодаря использованию в предлагаемом способе в качестве деформирующего элемента ролика с тремя рабочими поверхностями значительно уменьшается величина пластической волны, идущей перед и после деформирующих элементов, уменьшается вероятность образования трещин и отслаивания обрабатываемого поверхностного слоя, снижается себестоимость обработки, повышается производительность и улучшается качество изготовления.

Предлагаемый способ и деформирующий инструмент для заготовок тел вращения отличается простотой в реализации, несложен по конструкции и надежен в эксплуатации. Получаемый на поверхности заготовки структурный слой обладает повышенной твердостью и соответственно износостойкостью и сопротивлением усталостному разрушению.

Источники информации

1. 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, 1985. С. 387-389, рис. 6. табл. 3 - прототип.

Способ поверхностного пластического деформирования тел вращения, при котором заготовке сообщают вращательное движение относительно собственной продольной оси, а инструменту, представляющему собой обкатной ролик и оказывающему давление на поверхность обрабатываемой заготовки, сообщают продольную подачу, отличающийся тем, что рабочая часть инструмента является трехступенчатой поверхностью, состоящей из переднего сглаживающего конуса с углом конусности 2...5°, цилиндрического упрочняющего пояска торообразного со стороны переднего сглаживающего конуса и заднего сглаживающего конуса с обратным углом конусности 1...3°, соответственно расположенные последовательно в направлении продольной подачи, при этом инструмент нагружают поперечной силой до тех пор, пока передний сглаживающий конус своим основанием диаметром d_пк не будет касаться поверхности заготовки, при этом диаметр цилиндрического упрочняющего пояска определяют по формуле

d_пц=d_пк+2Δ,

где d_пц - диаметр цилиндрического упрочняющего пояска, мм;

Δ - величина, на которую изменяется размер детали после обработки, мм.