RU157829U1

RU157829U1 - Охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой

Info

Publication number: RU157829U1
Application number: RU2015124989/02U
Authority: RU
Inventors: Николай Иванович Егоров; Юрий Николаевич Полянчиков; Владимир Анатольевич Солодков; Олег Анатольевич Курсин
Priority date: 2015-06-24
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2015-12-10

Abstract

Охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой, содержащий волновод с корпусом, боек, выполненный с возможностью воздействия на волновод и связанный с генератором механических импульсов, и охватывающее заготовку резьбонакатное кольцо с деформирующими элементами, выполненными в виде не менее трех резьбонакатных роликов, равномерно установленных по резьбонакатному кольцу в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы на заготовке с помощью цапф с возможностью свободного вращения, самоподжима к заготовке и сообщения им деформирующей силы, имеющей статическую и динамическую составляющие, при этом радиус вершины резьбонакатных роликов равен радиусу впадины готовой резьбы, отличающийся тем, что волновод расположен горизонтально, резьбонакатное кольцо снабжено ползунами и неподвижной гайкой, шарнирно связанной верхней частью наружной поверхности с волноводом и выполненной с внутренней поверхностью цилиндроконической формы, при этом гайка цилиндрической частью внутренней поверхности установлена на резьбонакатном кольце посредством резьбового соединения, а ее коническая часть внутренней поверхности имеет угол уклона не более 5°43', причем упомянутые ползуны выполнены с наружной поверхностью, соответствующей конической части внутренней поверхности неподвижной гайки, установлены с возможностью радиального перемещения и самоподжима к заготовке в направляющих резьбонакатного кольца, выполненных на его боковой поверхности, при этом резьбонакатные ролики установлены в прорезях ползунов, а цапфы выполнены заодно целое с

Description

Полезная модель относится к технологии машиностроения, к изготовлению инструмента для статико-импульсной отделочно-упрочняющей обработки резьбы пластическим деформированием, в частности к инструментам для упрочняющего накатывания наружной резьбы.

Известно устройство для статико-импульсного упрочнения винтов, содержащее корпус с центральным отверстием для заготовки, деформирующими элементами, бойком и волноводом виде втулки, снабженные гайкой, пластинчатыми пружинами с установленными на них деформирующими элементами и кулачки, обеспечивающие радиальное перемещение деформирующего элемента от волновода по действием периодической импульсной нагрузки [Патент RU 2383426, B24B 39/04, B21H 3/12, 2008 г].

Устройство отличается ограниченными возможностями для обеспечения регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, равномерности упрочненного слоя, низким КПД из-за большого количества составляющих элементов и невозможности формировать сложный профиль резьбовой винтовой поверхности низкой производительности обработки из-за большой инерционности устройства.

В способе статико-импульсного упрочнения винтов описано устройство для отделочно-упрочняющей обработки, содержащее корпус с центральным отверстием для расположения в нем заготовки, в котором расположены деформирующие элементы и волновод, выполненный в виде втулки, гайку и V-образные изогнутые пластинчатые пружины, с установленными на них деформирующими элементами, на средней части пружин закреплены кулачки, которые контактируют с волноводом, к которому с помощью бойка прикладывают периодическую импульсную нагрузку для радиального перемещения деформирующих элементов [Патент RU 2383427, B24B 39/04, B21H 3/12, 2008 г].

Устройство отличается ограниченными возможностями для обеспечения регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, равномерности упрочненного слоя, низким КПД из-за большого количества составляющих элементов и невозможности формировать сложный профиль резьбовой винтовой поверхности, низкой производительности обработки из-за большой инерционности устройства.

Известен охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой, содержащий охватывающее заготовку резьбонакатное кольцо с внутренней рабочей кольцевой резьбовой поверхностью, соответствующей профилю впадины резьбы готовой детали, установленное на предварительно нарезанной резьбе заготовки под углом, равным углу подъема накатываемой резьбы, с сообщением кольцу статической и динамической составляющих деформирующей силы [Патент RU 142563, B21H 3/02, 2014 г].

Устройство отличается ограниченными возможностями для обеспечения регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности, равномерности упрочненного слоя, низким КПД из-за ограниченности поверхности контакта и низкой производительности обработки из-за большой инерционности устройства.

Известен охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы, состоящий из волновода и воздействующего на него бойка, связанного с генератором механических импульсов. Волновод выполнен в виде корпуса с вращающимся кольцом, установленным под углом, равным углу подъема накатываемой резьбы. Кольцо выполнено с внутренней кольцевой резьбовой поверхностью, содержащей заборный конус и цилиндрическую калибрующую часть. Кольцу сообщается статистическая и динамическая составляющие деформирующей силы [Патент RU 2280526, B21H 3/02, 2005 г].

Устройство отличается ограниченными возможностями для обеспечения точной установки угла наклона волновода с кольцом при каждой новой детали с отличающимися параметрами резьбы, неточность установки приводит к увеличению погрешности шага резьбы, угла профиля и волнистости поверхности и низкой производительности.

Известен охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой, содержащий волновод с корпусом, боек, выполненный с возможностью воздействия на волновод и связанный с генератором механических импульсов, и охватывающее заготовку резьбонакатное кольцо с внутренней кольцевой резьбовой поверхностью и не менее шести деформирующими элементами в виде резьбонакатных роликов с углом резьбонакатной поверхности, соответствующей профилю впадины упрочняемой резьбы, равномерно расположенных по сепаратору, установленному внутри резьбонакатного кольца в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы на заготовке [Патент RU 149468, B21H 3/02, 2015 г].

Устройство отличается неравномерным распределением деформирующей силы между резьбонакатными роликами, что приводит к волнистости поверхности и низкой производительности, а наличие контакта рабочих кромок резьбонакатных роликов с охватывающим резьбонакатным кольцом приводит к их износу и уменьшению стойкости инструмента.

Наиболее близким техническим решением является охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой, содержащий волновод с корпусом, боек, выполненный с возможностью воздействия на волновод и охватывающее заготовку резьбонакатное кольцо с деформирующим элементом, выполненным в виде не менее трех резьбонакатных роликов, с углом резьбонакатной поверхности, меньшим угла профиля впадины упрочняемой резьбы и радиусом у вершины, соответствующим профилю впадины готовой резьбы, в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы равномерно установленных с помощью цапф в прорезях резьбонакатного кольца с возможностью свободного вращения, причем цапфы установлены с возможностью самоподжима к заготовке в овальных отверстиях длиной равной 11-33 припускам, выполненных в резьбонакатном кольце перпендикулярно прорезям с наклоном к центру заготовки на величину припуска в сторону вращения заготовки [Патент RU 151510, B21H 3/02, B24B 39/04, 2015 г].

Устройство отличается наличием овальных отверстий в резьбонакатном кольце, в которых вращаются цапфы роликов, что приводит к малой площади контакта сопрягаемых поверхностей и высокому удельному давлению, не образуется масляный клин для жидкостного трения и возникает сухое трение, что приводит к износу цапф и овальных отверстий, уменьшается стойкость инструмента и снижается производительность. Кроме того наличие овальных отверстий, в которых вращаются и неравномерно перемещаются цапфы роликов, приводит к вибрации роликов при обкатке, что приводит к повышенной шероховатости и волнистости поверхности.

Задачей технического решения является разработка конструкции надежного инструмента, обеспечивающего точность параметров резьбы в процессе обработки заготовки.

Техническим результатом является повышение надежности инструмента, точности и производительности обработки, и снижение шероховатости деформируемой поверхности впадины резьбы.

Технический результат достигается охватывающим инструментом для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой, содержащим волновод с корпусом, боек, выполненный с возможностью воздействия на волновод и связанный с генератором механических импульсов, и охватывающее заготовку резьбонакатное кольцо с деформирующими элементами, выполненными в виде не менее трех резьбонакатных роликов, равномерно установленных по резьбонакатному кольцу в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы на заготовке с помощью цапф с возможностью свободного вращения и самоподжима к заготовке, с возможностью сообщения им деформирующей силы, имеющей статическую и динамическую составляющие, с радиусом вершины резьбонакатных роликов, равным радиусу впадины готовой резьбы, при этом резьбонакатное кольцо снабжено неподвижной гайкой, шарнирно связанной верхней частью наружной поверхности с горизонтально расположенным волноводом и выполненной с внутренней поверхностью цилиндроконической формы, цилиндрической частью внутренней поверхности установленной на резьбонакатном кольце посредством резьбового соединения, и ползунами с наружной поверхностью, соответствующей конической части внутренней поверхности неподвижной гайки, имеющей угол уклона не более 5°43′, установленными с возможностью радиального перемещения и самоподжима к заготовке в направляющих резьбонакатного кольца, выполненных на его боковой поверхности, причем, резьбонакатные ролики установлены в прорезях ползунов, цапфы, выполнены за одно целое с роликами, а угол профиля резьбонакатных роликов, меньше или равен углу профиля впадины готовой резьбы.

Предлагаемый инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой предназначен для статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания радиуса впадины резьбы на внешних резьбовых поверхностях деталей типа штоков, винтов и валов деформирующими элементами в виде не менее трех резьбонакатных роликов с углом профиля, меньшим или равным углу профиля впадины упрочняемой резьбы и радиусом у вершины, равным радиусу впадины готовой резьбы. Резьбонакатное кольцо снабжено неподвижной гайкой, верхняя часть наружной поверхности которой шарнирно связана с горизонтально расположенным волноводом. Гайка выполнена с внутренней поверхностью цилиндроконической формы. При этом цилиндрическая часть внутренней поверхности гайки посредством резьбового соединения установлена на резьбонакатном кольце, а коническая часть внутренней поверхности неподвижной гайки, имеющая угол уклона не более 5°43′, контактирует с соответствующей ей наружной поверхностью ползунов, установленных с возможностью радиального перемещения и самоподжима к заготовке в направляющих резьбонакатного кольца. В прорезях ползунов на цапфах установлены резьбонакатные ролики, угол профиля которых, меньше или равен углу профиля впадины готовой резьбы.

Ролики установлены равномерно, в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы заготовки, с возможностью свободного вращения с помощью цапф, выполненных за одно целое с ними. За счет вращения по резьбовому соединению резьбонакатного кольца, вследствие воздействия внутренней конической поверхности неподвижной гайки, осуществляется перемещение ползунов и самоподжим их к заготовке.

Сущность конструкции инструмента поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой; на фиг. 2 представлен разрез А-А охватывающего инструмента для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой; фиг. 3 представлен разрез Б-Б охватывающего инструмента для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой; на фиг. 4 представлена схема статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания впадины резьбы на заготовке заявленным охватывающим инструментом для расчета высоты микронеровностей поверхности Rz после обработки; на фиг. 5 представлена схема статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания впадины резьбы на заготовке заявленным охватывающим инструментом для расчета энергии деформации впадины резьбы.

Охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой, содержит волновод 1 с корпусом, боек (не показан), выполненный с возможностью воздействия на волновод 1 для сообщения инструменту от генератора механических импульсов (не показан) динамической деформирующей силы Р_имп, имеющей статическую и динамическую составляющие, и охватывающее заготовку резьбонакатное кольцо 2, выполненное с радиальными направляющими 3 на его боковой поверхности, в которых с возможностью радиального перемещения и самоподжима к заготовке 4 равномерно установлены ползуны 5. Резьбонакатное кольцо 2 снабжено неподвижной гайкой 6, шарнирно связанной верхней частью наружной поверхности с горизонтально расположенным волноводом 1. Внутренняя поверхность неподвижной гайки 6 выполнена цилиндроконической формы. Цилиндрической частью внутренней поверхности неподвижная гайка 6 установлена на резьбонакатном кольце 2 посредством резьбового соединения 7. Наружная поверхность ползунов 5 прилегает и соответствует конической части внутренней поверхности неподвижной гайки 6, имеющей угол уклона а не более 5°43′. Деформирующие элементы, выполненные в виде не менее трех резьбонакатных роликов 8, с помощью цапф 9 установлены по винтовой поверхности с углом подъема ψ, в соответствии с шагом P предварительно нарезанной резьбы заготовки 4 в прорезях 10 ползунов 5 с возможностью свободного вращения и самоподжима к заготовке 4. Цапфы 9 выполнены за одно целое с роликами 8 и установлены в отверстиях ползунов 5 перпендикулярных прорезям 10. При этом угол профиля резьбонакатных роликов 8, меньше или равен углу профиля впадины готовой резьбы, а радиус R вершины резьбонакатных роликов 8 равен радиусу впадины готовой резьбы.

Заготовка 4 установлена в самоцентрирующем трехкулачковом патроне 11 токарного станка.

Предлагаемый охватывающий инструмент работает следующим образом:

Охватывающий инструмент накручивается на предварительно нарезанную с припуском t резьбу заготовки 4 и создается статическая нагрузка P_ст за счет вращения заготовки 4 и поворота резьбонакатного кольца 2 (за счет сил трения) относительно неподвижной гайки 6 на угол, обеспечивающий перемещение ползунов 5 с роликами 8 на величину припуска t.

Заготовка 4 вращается с угловой скоростью со. Резьбонакатное кольцо 2 с ползунами 5 и роликами 8 получает движение продольной подачи S, равное шагу резьбы P. Свободно вращающиеся ролики 8 воздействуют на заготовку 4 с радиальной динамической деформирующей силой P_имп, которая от генератора механических импульсов (не показан) через волновод 1, гайку 6, ползуны 5 передается на цапфы 9 резьбонакатных роликов 8. При вращении резьбонакатного кольца 2 за счет сил трения относительно неподвижной гайки 6 и взаимном осевом перемещении по конической поверхности ползуны 4 перемещают цапфы 9 с роликами 8 в радиальном направлении на величину припуска t, создавая статическую составляющую силы P_ст.

В процессе работы инструмента, за счет вращения резьбонакатного кольца 2 внутри неподвижной гайки 6 и перемещения по соответствующим коническим поверхностям ползунов 5 через цапфы 9 осуществляется самоподжатие силой P_ст резьбонакатных роликов 8 на величину припуска t к заготовке 4. Таким образом, для роликов 8 обеспечивается свободное вращение на цапфах 9, импульсное воздействие и самоподжим к 9 заготовке 4 - одновременно.

Для центрирования инструмента на предварительно нарезанной резьбе минимально достаточно трех роликов 8, т.к. окружность определяется тремя точками (Фиг. 2).

Необходимый угол уклона конической части внутренней поверхности гайки 6 можно рассчитать из условия самоподжима (самоторможения клиновой поверхности):

где α - угол уклона конической части внутренней поверхности гайки 6;

, где t - величина деформации впадины резьбы (припуск на обработку), мм, d_В - наружный диаметр эксцентриковой втулки;

φ=5°43′ - угол трения, tgφ=f, f=0,1 - коэффициент трения стали по стали;

Необходимый угол P поворота резьбонакатного кольца 2 за счет сил трения относительно неподвижной гайки 6, обеспечивающий перемещение ползунов 5 с роликами 8 на величину припуска t можно рассчитать по формуле:

где P_Г - шаг резьбы резьбонакатного кольца 2 и гайки 6;

Мощность N_д, привода станка, потребную для обработки заготовки 4 (Фиг. 2), можно рассчитать по формуле

где n_з - число оборотов заготовки мин^-1;

η - кпд привода станка η=0,85-0,95;

N_эл - мощность электродвигателя привода станка, кВт.

M_кр - момент вращения заготовки для преодоления сил трения

3 - количество роликов

f_k - коэффициент трения качения, м;

d₃ - диаметр впадины резьбы с радиусом закругления, м;

d_р - диаметр ролика, м;

d_ц - диаметр цапф, м;

P_ст - статическая составляющая силы поджатия ролика к заготовке

Из схемы статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания впадины резьбы на заготовке (Фиг. 4) можно установить зависимость высоты микронеровностей поверхности Rz после обработки от параметров режимов обработки. Поскольку работают одновременно три ролика 8, то шероховатость уменьшится в три раза.

где Rz - высота микронеровностей;

d_р - наружный диаметр ролика, м;

γ - угол поворота заготовки за один импульс, рад;

n_имп - число (частота) импульсов, мин^-1;

n_з - число оборотов заготовки мин^-1.

3 - количество роликов.

По приведенной формуле, задаваясь частотой импульсов, числом оборотов заготовки, можно определить высоту микронеровностей после статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания радиуса впадины резьбы заготовки и сравнить с необходимой.

Из схемы, приведенной на Фиг. 5, можно рассчитать зависимость энергии удара, прикладываемого к инструменту, от глубины деформации. Поскольку в работе участвуют три ролика одновременно, то необходимая энергия импульса инструмента должна быть в три раза больше

где G - энергия удара ролика, Дж;

НВ - твердость заготовки по Бринеллю Н/м²;

d - наружный диаметр резьбы, м;

d₁ - внутренний диаметр резьбы, м;

R - радиус закругления впадины резьбы, м;

d_p - наружный диаметр ролика;

t - глубина вдавливания ролика во впадину резьбы (припуск на обработку);

α - угол профиля метрической резьбы;

α_p - угол профиля ролика;

3 - количество роликов.

По приведенным формулам, задаваясь глубиной деформации, твердостью заготовки, диаметром роликов и радиусом впадины резьбы можно определить требуемое усилие вдавливания роликов и энергию генератора импульсов инструмента для статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания впадины резьбы заготовки.

При испытаниях инструмента заготовку из стали 40ХНМ2А твердостью НВ 226-253, с предварительно нарезанной резьбой М90×4 с припуском t=0,5 мм закрепили в трехкулачковом самоцентрирующем патроне токарного станка модели 1М63Н, мощность электродвигателя привода станка N_эл=11 кВт. Условие по мощности привода станка выполняется:

кВт.

В резцедержателе закреплен генератор механических импульсов (отбойный молоток частотой импульсов n_р=4200 мин^-1 и энергии удара G_Г=3,1 Дж, условие по энергии удара выполняется G=3·0,615=1,845≤G_Г=3,1 Дж) в бойке установлен волновод 1.

Резьбонакатное кольцо 2, в направляющих 3 которого в радиальном направлении перемещаются три ползуна 5 с роликами 8, диаметром 28 мм, и диаметром цапфы 9 мм из стали ХВГ с углом профиля 60° и радиусом у вершины R=0,58 мм, накручивается на заготовку 4 с предварительно нарезанной резьбой с углом профиля 60°. Угол уклона конической части внутренней поверхности неподвижной гайки 6 α=5°≤φ=5°43′ обеспечивает условие самоподжима. На наружной поверхности резьбонакатного кольца 2 и цилиндрической части внутренней поверхности гайки 6 нарезана резьба M160×4-6H/6g. Угол β поворота резьбонакатного кольца 2 за счет сил трения относительно неподвижной гайки 6, обеспечивающий перемещение ползунов 5 с роликами 8 на величину припуска t=0,5 мм:

т.е. 1,4 оборота резьбонакатного кольца. Скорость вращения шпинделя станка, в котором закрепляется обрабатываемая заготовка резьбы n=10 мин^-1, подача S=4 мм/об. Расчетная высота микронеровностей поверхности Rz после обработки:

мкм

или Ra=0,13 мкм.

Испытаниями установлено, что производительность процесса повышается в 2,5…2,8 раза. Размеры резьбы соответствуют требованиям точности 6g. Параметр шероховатости поверхности резьбы Ra=0,16 мкм. Глубина упрочненного слоя t=0,25 мм. Увеличение микротвердости и прочности наклепанного слоя составило в среднем 25%.

Предлагаемый охватывающий инструмент для упрочнения наружной резьбы прост в реализации, не сложен в конструкции и надежен в эксплуатации, позволяет повысить точность изготовления резьбы, снизить высоту микронеровностей, повысить производительность обработки. Получаемый упрочненный слой обладает повышенной твердостью и сопротивлением усталостному разрушению.

Таким образом, охватывающий инструментом для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой, в котором резьбонакатное кольцо снабжено неподвижной гайкой, выполненной с внутренней поверхностью цилиндроконической формы, цилиндрической частью внутренней поверхности установленной на резьбонакатном кольце посредством резьбового соединения, и ползунами с наружной поверхностью, соответствующей конической части внутренней поверхности неподвижной гайки, имеющей угол уклона не более 5°43′, в прорезях которых на цапфах установлены резьбонакатные ролики с углом профиля меньшим или равным углу профиля впадины готовой резьбы, позволяет повысить точности и производительность обработки, и снижает шероховатости деформируемой поверхности впадины резьбы.

Claims

Охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой, содержащий волновод с корпусом, боек, выполненный с возможностью воздействия на волновод и связанный с генератором механических импульсов, и охватывающее заготовку резьбонакатное кольцо с деформирующими элементами, выполненными в виде не менее трех резьбонакатных роликов, равномерно установленных по резьбонакатному кольцу в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы на заготовке с помощью цапф с возможностью свободного вращения, самоподжима к заготовке и сообщения им деформирующей силы, имеющей статическую и динамическую составляющие, при этом радиус вершины резьбонакатных роликов равен радиусу впадины готовой резьбы, отличающийся тем, что волновод расположен горизонтально, резьбонакатное кольцо снабжено ползунами и неподвижной гайкой, шарнирно связанной верхней частью наружной поверхности с волноводом и выполненной с внутренней поверхностью цилиндроконической формы, при этом гайка цилиндрической частью внутренней поверхности установлена на резьбонакатном кольце посредством резьбового соединения, а ее коническая часть внутренней поверхности имеет угол уклона не более 5°43', причем упомянутые ползуны выполнены с наружной поверхностью, соответствующей конической части внутренней поверхности неподвижной гайки, установлены с возможностью радиального перемещения и самоподжима к заготовке в направляющих резьбонакатного кольца, выполненных на его боковой поверхности, при этом резьбонакатные ролики установлены в прорезях ползунов, а цапфы выполнены заодно целое с роликами, причем угол профиля резьбонакатных роликов, меньше или равен углу профиля впадины готовой резьбы.