RU157831U1 - Охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой - Google Patents

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 в виде трех резьбонакатных роликов, с радиусом у вершины, соответствующим профилю впадины готовой резьбы, и углом профиля, не больше угла профиля впадины готовой резьбы, в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы равномерно установленных с помощью цапф с возможностью свободного вращения, самоподжима к заготовке и с возможностью сообщения им деформирующей силы, имеющей статическую и динамическую составляющие, отличающийся тем, что резьбонакатное кольцо выполнено в виде цепи шарнирно соединенных между собой звеньев, первое и последнее звено которой шарнирно соединено с замыкающим звеном, причем замыкающее звено соединено с первым звеном посредством круглого отверстия, а с последним звеном - посредством кругового овального отверстия, при этом замыкающее звено посредством кругового овального отверстия шарнирно соединено с тангенциально горизонтально расположенным волноводом, а резьбонакатные ролики выполнены за одно целое с цапфами и установлены в прорезях звеньев.

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, В24В 39/04, В21Н 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, В24 В 39/04, В21Н 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, В21Н 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, В21Н 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, В21Н 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 связанный с генератором механических импульсов, и охватывающее заготовку резьбонакатное кольцо с деформирующими элементами в виде не менее трех резьбонакатных роликов, с углом резьбонакатной поверхности, меньшим угла профиля впадины упрочняемой резьбы и с 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, самоподжима к заготовке и с возможностью сообщения им деформирующей силы, имеющей статическую и динамическую составляющие, причем цапфы установлены 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, В21Н 3/02, 2015 г].

Устройство отличается овальными отверстиями в резьбонакатном кольце, в которых вращаются цапфы роликов, что приводит к малой площади контакта и высокому удельному давлению, не образуется масляный клин 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 цапфы роликов, вызывает вибрацию 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, содержащем волновод с корпусом, боек, выполненный с возможностью воздействия на волновод и связанный с генератором механических импульсов, и охватывающее заготовку резьбонакатное кольцо с деформирующими элементами в виде не менее трех резьбонакатных роликов, с радиусом у вершины, соответствующим профилю впадины готовой резьбы и углом профиля не больше угла профиля впадины готовой резьбы, в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы равномерно установленных с помощью цапф с возможностью свободного вращения, самоподжима к заготовке и с возможностью сообщения им деформирующей силы, имеющей статическую и динамическую составляющие, при этом резьбонакатное кольцо выполнено в виде цепи шарнирно соединенных между собой звеньев, первое и последнее звено которой шарнирно соединено с замыкающим звеном, посредством кругового овального отверстия шарнирно соединенным с тангенсально горизонтально расположенным волноводом, резьбонакатные ролики выполнены за одно целое с цапфами и установлены в прорезях звеньев, причем замыкающее звено соединяется с первым звеном посредством круглого отверстия, а с последним звеном посредством кругового овального отверстия.

Предлагаемый охватывающий инструмент предназначен для статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания радиуса впадины резьбы на внешних резьбовых поверхностях деталей типа штоков, винтов и валов деформирующими элементами в виде резьбонакатных роликов с углом профиля, не больше угла профиля впадины готовой резьбы и радиусом у вершины, соответствующим профилю впадины готовой резьбы. Ролики, в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы заготовки, распределены равномерно в прорезях звеньев, шарнирно соединенных между собой и с замыкающим звеном, и установлены посредством цапф, выполненных с роликами за одно целое, с возможностью свободного вращения, самоподжима к заготовке и с возможностью сообщения им деформирующей силы, имеющей статическую и динамическую составляющие. Первое звено образованной цепи соединено с замыкающим звеном посредством круглого отверстия, а последнее звено - посредством кругового овального отверстия, которое при повороте замыкающего звена вокруг круглого отверстия обеспечивает за счет сил трения самозатягивание при уменьшении длины цепи и самоподжатие роликов к заготовке силой Р_ст.

Длина кругового овала отверстия позволяет уменьшить длину цепи при повороте замыкающего звена на величину равную л: припуска.

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 охватывающий инструмент вид А; на 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 усилия и энергии деформации впадины резьбы.

Охватывающий инструмент для статико-импульсного накатывания резьбы на заготовке с предварительно нарезанной резьбой, содержит волновод 1, с помощью которого через боек (не показан) инструменту сообщается динамическая деформирующая сила Р_имп от генератора механических импульсов (не показан). Охватывающее резьбонакатное кольцо выполнено в виде цепи из звеньев 2, шарнирно соединенных между собой с помощью осей 3. В прорезях 4 звеньев 2 резьбонакатного кольца, по винтовой поверхности с углом подъема ψ, в соответствии с шагом Р предварительно нарезанной резьбы, равномерно, с помощью цапф 5 установлено не менее трех деформирующих элементов в виде резьбонакатных роликов 6, с радиусом у вершины, соответствующим профилю впадины готовой резьбы и углом профиля не больше угла профиля впадины готовой резьбы. Резьбонакатные ролики 6 выполнены за одно целое с цапфами 5 и установлены с возможностью свободного вращения, самоподжима к заготовке 7 и с возможностью сообщения им деформирующей силы, имеющей статическую и динамическую составляющие. Первое звено 8 и последнее звено 9 резьбонакатного кольца с помощью осей 10 и 11 шарнирно соединены с замыкающим звеном 12, которое посредством кругового овального отверстия 13 и оси 14 шарнирно соединено с тангенсально горизонтально расположенным волноводом 1. При этом замыкающее звено 12 соединяется с первым звеном 8 посредством круглого отверстия 15, а с последним звеном 9 посредством кругового овального отверстия 16.

Замыкающее звено 12 за счет свободного поворота вокруг оси 10 круглого отверстия 15 обеспечивает самоподжим роликов 6 силой Р_ст к заготовке 7 при уменьшении длины цепи на величину равную π припуска. При этом ось 14 кругового овального отверстия 13 и ось 11 кругового овального отверстия 16 перемещаются в соответствующих круговых овальных отверстиях, что и обеспечивает уменьшение длины цепи.

Предлагаемый охватывающий инструмент работает следующим образом:

Охватывающий инструмент накручивается на предварительно нарезанную резьбу заготовки 7. Заготовка 7 устанавливается в самоцентрирующем трехкулачковом патроне 17 токарного станка.

Заготовка 7 вращается с угловой скоростью со. Резьбонакатное кольцо в виде цепи звеньев 2 получает движение продольной подачи S, равное шагу резьбы Р. Свободно вращающиеся ролики 6 воздействуют на заготовку 7 с радиальной динамической деформирующей силой Р_имп, получаемой через цапфы 5, подвижные звенья 2, замыкающее звено 12 и волновод 1 импульсы от генератора механических импульсов (не показан). При вращении заготовки 7 за счет сил трения с роликами 6 и поворота вокруг оси 10 замыкающего звена 12, обеспечивается самоподжим роликов 6 силой Р_ст к заготовке 7 за счет уменьшения длины цепи на величину равную π припуска t.

Таким образом, для роликов 6 обеспечивается свободное вращение на цапфах 5, импульсное воздействие и самоподжим к заготовке -одновременно.

Для центрирования инструмента на предварительно нарезанной резьбе минимально достаточно трех роликов 6, т.к. окружность определяется тремя точками.

Условие самоподжима (самоторможения клиновой поверхности) можно рассчитать из неравенства

где α - угол клина

где t - величина деформации впадины резьбы (припуск на обработку), мм, d₃ - диаметр впадины резьбы;

φ - угол трения, tgφ=f, f=0,05÷0,1 - коэффициент трения скольжения со смазкой стали по стали;

Уменьшение длины цепи для обеспечения деформации впадины подсчитывается по формуле

Длину круговых овальных отверстий 13 и 16 для обеспечения уменьшения длины Al цепи звеньев 2 подсчитывается по формуле

где l - длина замыкающего звена 12

Расчет необходимой мощности привода вращения заготовки 7 показан ниже.

Сопротивление вращению заготовки 7 представляют силы трений F₁ ролика 6 по заготовке 7, F₂ цапф 5 в отверстиях подвижного звена 2

где f_k - коэффициент трения качения, м;

f_с - коэффициент трения скольжения;

d_p - диаметр ролика, м;

Р_ст - сила поджатия ролика к заготовке, Н.

Тогда момент вращения заготовки М_кр для преодоления сил трения

где n - количество роликов;

d₄ - диаметр цапф 5, м;

d₃ - диаметр впадины резьбы с радиусом закругления R, м.

d₁ - внутренний диаметр резьбы, м;

Мощность Nd, потребную для обработки, можно посчитать 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.

Из схемы статико-импульсного отделочно-упрочняющего накатывания впадины резьбы на заготовке можно установить зависимость высоты микронеровностей поверхности Rz после обработки от параметров режимов обработки. Поскольку работают одновременно n роликов 6, то шероховатость уменьшится в n раз.

где Rz - высота микронеровностей;

d_p - наружный диаметр ролика 6, м;

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

n_з - число оборотов заготовки мин^-1.

n - количество роликов.

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

Из схемы, приведенной на Фиг. 5, можно рассчитать зависимость энергии удара, прикладываемого к инструменту, от глубины деформации. Поскольку в работе участвуют n роликов одновременно, то необходимая энергия импульса инструмента в n раз больше

где G - энергия удара ролика, Дж;

НВ - твердость заготовки по Бринеллю Н/м;

d - наружный диаметр резьбы, м;

d₁ - внутренний диаметр резьбы, м;

d₃ - диаметр впадины резьбы с радиусом закругления, м;

R - радиус закругления впадины резьбы, м;

d_p - наружный диаметр ролика 6;

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

α - угол профиля метрической резьбы;

α_р - угол профиля ролика;

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

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

В резцедержателе закреплен генератор механических импульсов (отбойный молоток с частотой импульсов n_р=4200 мин^-1 и энергией удара G_Г=8,0 Дж, условие по энергии удара выполняется G=6-2459-0,0005=7,4≤G_r=8,0 Дж) в бойке установлен волновод.

Резьбонакатное кольцо виде цепи подвижных звеньев 2 с установленными в их прорезях роликами, диаметром 25 мм и диаметром цапфы 9 мм сталь ХВГ с углом профиля 60 и радиусом у вершины R=0,58 мм, равномерно расположенными по периметру резьбонакатного кольца накручивается на заготовку с предварительно нарезанной резьбой с углом профиля 60°. Условие самоподжима выполняется, т.к.

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

или Ra=0,06 мкм, что меньше заданного параметра шероховатости поверхности резьбы Ra=0,2 мкм.

Испытаниями установлено, что производительность процесса повышается в 1,2 раза по сравнению со статико-импульсным накатыванием резьбы охватывающим инструментом. Размеры резьбы соответствуют требованиям точности 6g. Увеличение микротвердости и прочности наклепанного слоя составило в среднем 25%.

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

Claims (1)

1. 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 в виде трех резьбонакатных роликов, с радиусом у вершины, соответствующим профилю впадины готовой резьбы, и углом профиля, не больше угла профиля впадины готовой резьбы, в соответствии с шагом предварительно нарезанной резьбы равномерно установленных с помощью цапф с возможностью свободного вращения, самоподжима к заготовке и с возможностью сообщения им деформирующей силы, имеющей статическую и динамическую составляющие, отличающийся тем, что резьбонакатное кольцо выполнено в виде цепи шарнирно соединенных между собой звеньев, первое и последнее звено которой шарнирно соединено с замыкающим звеном, причем замыкающее звено соединено с первым звеном посредством круглого отверстия, а с последним звеном - посредством кругового овального отверстия, при этом замыкающее звено посредством кругового овального отверстия шарнирно соединено с тангенциально горизонтально расположенным волноводом, а резьбонакатные ролики выполнены за одно целое с цапфами и установлены в прорезях звеньев.

   

Images