Устройство для поверхностно-упрочняющего обкатывания деталей

Предполагаемое изобретение относится к области механической обработки материалов, а именно к упрочняющее-чистовой обработке поверхностей методом пластического деформирования и может быть использовано в различных отраслях машиностроения. Технический результат достигается тем, что радиус рабочего профиля предварительного деформирующего ролика R определяется по формуле а радиус рабочего профиля сглаживающего ролика R_c принимается равным (1,4-1,6)R, где D - диаметр обрабатываемой детали; Р - усилие обкатывания; h - заданная глубина упрочнения материала поверхностного слоя; G_m - предел текучести обрабатываемого материала; К_HV - коэффициент, определяемый отношением микротвердости материалов деформирующих роликов к микротвердости обрабатываемого материала.

Полезная модель относится к области механической обработки материалов, а именно к упрочняющее-чистовой обработке поверхностей методом поверхностного пластического деформирования и может быть использована в различных отраслях машиностроения.

Известно устройство для упрочняющее-чистового обкатывания деталей методом поверхностного пластического деформирования (см. авторское свидетельство 1286393, В24В 38/04, бюл. 4, 1987 г.), содержащее корпус, в сепараторе которого установлены деформирующие элементы, опирающиеся на нажимной корпус, механизм его подачи и привод, оно снабжено установленным на механизме подачи и связанным с приводом механизмом определения поверхностной пористости детали, выполненным в виде охватывающего деталь кожуха с отверстиями, механизмами вращения сепаратора, коррекции подачи и блоком автоматического управления, при этом привод выполнен в виде шагового двигателя с валом, механизм вращения сепаратора выполнен в виде втулки, установленной на корпусе и кинематически связанной с валом двигателя, причем сепаратор расположен на упомянутой втулке, а механизм коррекции подачи выполнен в виде регулировочного привода с винтом, передаточным механизмом и гайкой, при этом последняя связана с корпусом, а он установлен с возможностью осевого перемещения относительно механизма подачи, дополнительно блок автоматического управления выполнен в виде блоков преобразования и сравнения с усилиями и задатчика сигналов.

Признаки, совпадающие: наличие деформирующего элемента и механизма его подачи, привод выполнен в виде шагового двигателя, имеется блок управления.

Причины, препятствующие поставленной задаче: отсутствие возможности эффективно формировать регулярный микрорельеф заданной плотности и пористости на поверхности вращения деталей в зависимости от свойств обрабатываемого материала и диаметра детали, а также изменять его параметры в процессе обработки.

Известно устройство для упрочняющее-чистового обкатывания деталей методом поверхностного пластического деформирования (см. патент РФ 2201323, В24В 30/00, бюл. 9, 2003 г.), содержащее корпус, шаговый привод, блок управления в виде задатчика сигналов и деформирующий ролик, оно снабжено ползуном, связанным с шаговым приводом и установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения, вилкой, смонтированной в ползуне с возможностью вращения и предназначенной для установки деформирующего ролика, и зубчатой передачей с рейкой, установленной с возможностью продольного перемещения между двумя пружинами, при этом вилка кинематически связана с рейкой зубчатой передачи, а пружины установлены с возможностью регулирования усилия воздействия.

Признаки, совпадающие: наличие корпуса, шагового привода линейного перемещения, блока управления в виде задатчика сигналов, снабжено ползуном, связанным с шаговым приводом и установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения, а также вилкой с деформирующим роликом на оси.

Признаки, препятствующие поставленной задаче: не представляется возможным эффективно обеспечивать без повышения глубины деформирования требуемую плотность и пористость получаемого на поверхности детали регулярного микрорельефа при одновременном создании направленной текстуры материала поверхностного слоя, не учитываются свойства обрабатываемого материала.

За прототип принято устройство для поверхностно-упрочняющего обкатывания деталей (см. патент РФ 2279965, В24В 39/00, бюл. 20, 2006 г.), содержащее корпус, шаговый привод линейного перемещения, блок управления в виде задатчика сигналов, ползун, связанный с шаговым приводом и установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения, закрепленную на ползуне вилку с неподвижно установленной осью, выполненной со шлицами, и на ней установлена втулка с посадочными наружными поверхностями, расположенными под углом к указанной оси, на втулке смонтированы предварительный и сглаживающий ролики с установленными между ними упругими элементами, причем сглаживающий ролик имеет возможность возвратно-поступательного перемещения вдоль своей оси, предварительный деформирующий ролик смонтирован с возможностью колебательного перемещения, а упругие элементы размещены из условия обеспечения нарастания усилия, развиваемого каждым из них, в направлении от упругого элемента, размещенного перед предварительным деформирующим роликом, к другому элементу, размещенному за сглаживающим деформирующим роликом.

Признаки, совпадающие: корпус, шаговый привод линейного перемещения, блок управления в виде задатчика сигналов, ползун, связанный с шаговым приводом и установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения, закрепленная на ползуне вилка с неподвижно установленной осью, выполненной со шлицами, и на ней установлена втулка с посадочными наружными поверхностями, расположенными под углом к указанной оси, на втулке смонтированы предварительный и сглаживающий ролики с установленными между ними упругими элементами, причем сглаживающий ролик имеет возможность возвратно-поступательного перемещения вдоль своей оси, предварительный ролик смонтирован с возможностью колебательного перемещения, а упругие элементы размещены из условия обеспечения нарастания усилия, развиваемого каждым из них, в направлении от упругого элемента, размещенного перед предварительным деформирующим роликом, к другому элементу, размещенному за сглаживающим деформирующим роликом.

Признаки, препятствующие поставленной задаче: невысокая эффективность применения устройства для поверхностной упрочняющей обработки деталей вращения из материалов с различными механическими свойствами, не учитываются диаметры обрабатываемых деталей и соотношение между начальной твердостью упрочняемого материала и твердостью деформирующих роликов.

Задачей настоящей полезной модели является повышение эффективности устройства для поверхностно-упрочняющего обкатывания деталей разных диаметров и из материалов с различными механическими свойствами.

Технический результат заключается в том, что радиус рабочего профиля предварительного деформирующего ролика R определяется по формуле

а радиус рабочего профиля сглаживающего деформирующего ролика R_c принимается равным (1,41,6)R, где D - диаметр обрабатываемой детали; Р - усилие обкатывания; h - заданная глубина упрочнения материала поверхностного слоя; G_m - предел текучести обрабатываемого материала; К_HV - коэффициент, определяемый отношением микротвердости материала деформирующих роликов HV_P к микротвердости обрабатываемого материала НV_M

Для достижения технического результата устройство для поверхностно-упрочняющего обкатывания деталей, содержащее корпус, шаговый привод линейного перемещения, блок управления в виде задатчика сигналов, ползун, связанный с шаговым приводом и установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения, закрепленную на ползуне вилку с неподвижно установленной осью, выполненной со шлицами, и на ней установлена втулка с посадочными наружными поверхностями, расположенными под углом к указанной оси, на втулке смонтированы предварительный и сглаживающий ролики с установленными между ними упругими элементами, причем сглаживающий ролик имеет возможность возвратно-поступательного перемещения вдоль своей оси, предварительный ролик смонтирован с возможностью колебательного перемещения, а упругие элементы размещены из условия обеспечения нарастания усилия, развиваемого каждым из них, в направлении от упругого элемента, размещенного перед предварительным деформирующим роликом, к другому элементу, размещенному за сглаживающим деформирующим роликом, при этом радиус рабочего профиля предварительного деформирующего ролика R определяется по формуле

а радиус рабочего профиля сглаживающего ролика R_c принимается равным (1,4-1,6)R, где D - диаметр обрабатываемой детали; Р - усилие обкатывание; h - заданная глубина упрочнения материала поверхностного слоя; G_m - предел текучести обрабатываемого материала; К_HV - коэффициент, определяемый отношением микротвердости материалов деформирующих роликов к микротвердости обрабатываемого материала.

Рассмотрим вариант достижения технического результата. Пусть микротвердость деформирующих роликов составляет HV_P, а микротвердость обрабатываемого материала HV _M. Вычисляется коэффициент К_HV=HV_M /HV_P, и в зависимости от эксплуатационных требований к обрабатываемой детали задается глубина упрочнения материала поверхностного слоя h. Учитывая имеющиеся рекомендации (см., например, Папшев Д.Д. «Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием», М.: Машиностроение, 1978, 152 с.), назначается усилие обкатывания Р. Зная диаметр обрабатываемой детали D и предел текучести материала G_m, из которого изготовлена деталь, по формуле

вычисляется радиус рабочего профиля предварительного деформирующего ролика R. Исходя из зависимости R_c=(1,4-1,6)R, определяется радиус рабочего профиля сглаживающего деформирующего ролика R_c. По вычисленным значениям R и R_c из инструментального материала (например, быстрорежущей стали Р6М5) изготавливаются предварительный и сглаживающий деформирующие ролики, рабочие профили которых обрабатываются на универсально-заточном станке мод. 3А64М с использованием специального поворотного приспособления, настраиваемого на заданный радиус закругления. Для этого используются чашечные круги из электрокорунда марок 25А, или 34А, а также других абразивных материалов как на керамической, так и другой связке.

Изготовленные предварительный и сглаживающий деформирующие ролики монтируются в устройстве для поверхностно-упрочняющего обкатывания деталей на втулке с посадочными наружными поверхностями, расположенными под углом к оси, причем сглаживающий ролик имеет возможность возвратно-поступательного перемещения вдоль своей оси, предварительный ролик монтируется с возможностью колебательного перемещения, а упругие элементы размещаются из условия обеспечения нарастания усилия, развиваемого каждым из них, в направлении от упругого элемента, размещенного перед предварительным деформирующим роликом, к другому элементу, размещенному за заглаживающим деформирующим роликом.

Смонтированное устройство для поверхностно-упрочняющего обкатывания деталей устанавливается на суппорте токарного станка и настраивается на заданные режимы обработки поверхностного слоя детали.

Использование предлагаемого устройства для поверхностно-упрочняющего обкатывания деталей позволяет обеспечить заданную глубину упрочнения материала, уменьшив ее разброс по обработанной поверхности в зависимости от начальных значений предела текучести и твердости обрабатываемых материалов, снизить разброс микротвердости материала обработанной поверхности детали и уменьшить высоту шероховатости поверхности. При этом обеспечивается нанесение на поверхность детали специального регулярного микрорельефа и увеличивается площадь опорной поверхности, что снижает концентрацию напряжений в микрообъемах материала поверхностного слоя. В результате повышаются износостойкость и усталостная прочность обрабатываемых деталей.

Указанное повышение эффективности применения устройства для поверхностно-упрочняющего обкатывания деталей особенно значимо при обработке малоуглеродистых высоколегированных сталей и хромоникелевых сплавов, широко используемых в двигателестроении.

На токарном станке мод. 1А620 осуществлялось обкатывание цилиндрических бесступенчатых поверхностей валиков из стали 20ХН2МА (G_m=420 МПа, НV_M=8,5 ГПа) и сплава 45Х25Н20С2А (G_m=480 МПа, НV_M=12,6 ГПа) диаметром 20 мм и длиной 220 мм. Глубина упрочнения материала поверхностного слоя была принята для стали 20ХН2МА равной h=1,2 мм; для сплава 45Х25Н20С2А - h=1,5 мм. При числе проходов устройства для поверхностно-упрочняющего обкатывания деталей m=2 усилие обкатывания для стали 20ХН2МА составляло Р=1000 H, для сплава 45Х25Н20С2А - Р=1200 H. Деформирующие ролики диаметром 60 мм изготавливались из быстрорежущей стали Р6М5 и после закалки имели микротвердость HV_P=25,8 ГПа. Расчетные значения радиусов рабочего профиля деформирующих роликов составили: для стали 20ХН2МА - R=14 мм, R_c=21 мм; для сплава 45Х25Н20С2А - R=16 мм, R_c=24 мм. Для сравнения валики обрабатывались устройством для поверхностно-упрочняющего обкатывания деталей по прототипу, деформирующие ролики которого имели следующие значения радиусов рабочего профиля: для стали 20ХН2МА - R=R_c=14 мм; для сплава 45Х25Н20С2А - R=R_c=16 мм.

Эксплуатационные испытания обработанных валиков на износостойкость осуществлялись на установке, описанной в работе [Бутенко В.И. «Научные основы нанотрибологии», Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010, стр.20-21] при давлении контртела p=1,5 МПа, скорости скольжения V_ск=0,5 м/с, без смазки, а для испытания обработанных валиков на усталостную прочность использовалась установка, описанная в работе [Бутенко В.И. «Структура и свойства материалов в экстремальных условиях эксплуатации», Таганрог:

Изд-во Технологического института ЮФУ, 2007, стр.156-157] при величине знакопеременной нагрузки G_-1=30 МПа.

Результаты сравнительных испытаний устройств для поверхностно-упрочняющего обкатывания деталей приведены в таблице, из которой видно, что применение предлагаемого устройства для поверхностно-упрочняющего обкатывания деталей позволяет в 2,2-2,5 раза повысить износостойкость обработанных деталей и в 1,5-1,7 раза увеличить их усталостную прочность.

Таблица
Конструкция устройства	Обрабатываемый материал	Показатели обработки	Эксплуатационные показатели
Ra,мкм	Ra, мкм	h, мм	(h),мм	U·10 -3, г	N ц·105 циклов
По прототипу	сталь 20ХН2МА	1,05	0,34	1,18	0,43	39,8	5,5
сплав 45Х25Н20С2А	1,16	0,42	1,46	0,38	33,4	7,9
Предлагаемая	сталь 20ХН2МА	0,92	0,18	1,20	0,25	16,3	8,3
сплав 45Х25Н20С2А	1,02	0,24	1,50	0,30	13,4	14,8

Примечания: 1. Ra=(Ra)_max-(Ra)_min - разброс показателя шероховатости Ra по всей исследуемой поверхности детали;

2. (h)=(h)_max-(h)_min - разброс глубины упрочнения h по всей исследуемой поверхности детали;

3. U - весовой износ обработанной поверхности за 30 мин. испытания на трение;

4. N_ц - число циклов нагружений обработанной детали до разрушения

Устройство для поверхностно-упрочняющего обкатывания деталей, содержащее корпус, шаговый привод линейного перемещения, блок управления, выполненный в виде задатчика сигналов, ползун, связанный с шаговым приводом и установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения, закрепленную на ползуне вилку с неподвижно установленной осью, выполненной со шлицами, и на ней установлена втулка с посадочными наружными поверхностями, расположенными под углом к оси, при этом на втулке смонтированы предварительный и сглаживающий ролики с установленными между ними упругими элементами, причем сглаживающий ролик выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль своей оси, а предварительный ролик смонтирован с возможностью колебательного перемещения, упругие элементы размещены из условия обеспечения нарастания усилия, развиваемого каждым из них, в направлении от упругого элемента, размещенного перед предварительным деформирующим роликом, к другому элементу, размещенному за сглаживающим деформирующим роликом, отличающееся тем, что радиус рабочего профиля предварительного деформирующего ролика R определяется по формуле

,

а радиус рабочего профиля сглаживающего ролика R_c принят равным (1,4-1,6)R,

где D - диаметр обрабатываемой детали, мм;

Р - усилие обкатывания, H;

h - заданная глубина упрочнения материала поверхностного слоя, мм;

G_m - предел текучести обрабатываемого материала, Па;

K_HV - коэффициент, определяемый отношением микротвердости материалов деформирующих роликов к микротвердости обрабатываемого материала.