RU2241578C1

RU2241578C1 - Combination needle type strengthening tool

Info

Publication number: RU2241578C1
Application number: RU2003115187/02A
Authority: RU
Inventors: Ю.С. Степанов (RU); Ю.С. Степанов; Г.А. Харламов (RU); Г.А. Харламов; А.В. Киричек (RU); А.В. Киричек; А.С. Тарапанов (RU); А.С. Тарапанов; Б.И. Афанасьев (RU); Б.И. Афанасьев; Д.С. Фомин (RU); Д.С. Фомин; О.В. Болдин (RU); О.В. Болдин
Original assignee: Орловский государственный технический университет
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2004-12-10

Abstract

FIELD: machine engineering, possibly finishing at simultaneous surface hardening of steel and cast iron articles.

SUBSTANCE: tool includes housing in the form of sleeve that supports discs, movable and fixed flanges for fixing discs on sleeve. Said discs and flanges are inclined by acute angle relative to plane normal to tool rotation axis. One disc serves for hardening, it has smooth peripheral working surface made of material with low heat conductivity factor. All other discs have in periphery openings for fastening U-shaped bundles of wire pile and they are shifted one relative to other. Wire pile bundles of one disc are arranged between bundles of other disc. Spacing between axes of openings of two adjacent discs arranged along length of sleeve is equal to distance half between axes of pair of openings of disc.

EFFECT: enhanced efficiency of working by means of tool, improved quality of hardened layer of increased thickness.

3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для чистовой обработки с одновременным поверхностным упрочнением рабочих поверхностей стальных и чугунных деталей.The invention relates to mechanical engineering and can be used for finishing with simultaneous surface hardening of the working surfaces of steel and cast iron parts.

Известна цилиндрическая щетка, содержащая втулку с установленными на ней дисками, каждый из которых имеет размещенные по периферии отверстия для крепления U-образных пучков проволочного ворса и фланцы для фиксации дисков на втулке [1].Known cylindrical brush containing a sleeve with disks mounted on it, each of which has peripheral holes for fastening U-shaped bundles of wire pile and flanges for fixing disks on the sleeve [1].

Недостатками известного инструмента являются неэффективное использование щетки с недостаточно плотным, ненадежным креплением проволочного ворса и поэтому обладающей малой жесткостью, что не позволяет добиться высокой производительности и качественно удалять значительные припуски. При этом для повышения твердости поверхностного слоя обрабатываемой детали необходимо дополнительно вводить термическую операцию, что удорожает процесс изготовления.The disadvantages of the known tool are the inefficient use of a brush with insufficiently dense, unreliable fastening of the wire pile and therefore having low stiffness, which does not allow to achieve high performance and to remove significant allowances qualitatively. Moreover, to increase the hardness of the surface layer of the workpiece, it is necessary to additionally introduce a thermal operation, which makes the manufacturing process more expensive.

Задача изобретения - расширение технологических возможностей, повышение качества упрочненного слоя и увеличения его толщины, а также повышение производительности за счет совмещения иглофрезерования и фрикционного поверхностного упрочнения.The objective of the invention is the expansion of technological capabilities, improving the quality of the hardened layer and increasing its thickness, as well as increasing productivity by combining needle milling and friction surface hardening.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого комбинированного иглоупрочняющего инструмента, характеризующегося тем, что он содержит корпус в виде втулки с установленными на ней под острым углом к плоскости, перпендикулярной оси вращения инструмента, дисками и подвижный и неподвижный фланцы для фиксации дисков на втулке, при этом один из дисков выполнен упрочняющим и гладким с рабочей поверхностью на его периферии из материала с низким коэффициентом теплопроводности, а остальные диски выполнены с расположенными по их периферии отверстиями для крепления U-образных пучков проволочного ворса и установлены со смещением один относительно другого из условия размещения пучков ворса одного из них между пучками другого, причем расстояние между осями отверстий двух рядом расположенных по длине втулки дисков равно половине расстояния между осями пары отверстий в диске. При этом инструмент снабжен четырьмя косыми шайбами, попарно установленными с торцов инструмента для плавного изменения угла наклона дисков от нуля до максимального значения, при этом две косые шайбы расположены между неподвижным фланцем и упрочняющим диском, а подвижный фланец выполнен в виде двух других косых шайб, причем угол между торцами каждой косой шайбы равен половине максимального угла наклона дисков.The problem is solved using the proposed combined needle-reinforcing tool, characterized in that it contains a housing in the form of a sleeve with disks mounted on it at an acute angle to the plane perpendicular to the axis of rotation of the tool, and disks and movable and fixed flanges for fixing disks on the sleeve, while one of the disks is made hardening and smooth with a working surface on its periphery of a material with a low coefficient of thermal conductivity, and the rest of the disks are made with located on their periphery holes for fixing the U-shaped beams wire fluff and installed with an offset relative to one another of the conditions for placing bundles pile one of them between the beams of another, the distance between the axes of holes of two adjacent of the sleeve length disk equal to half the distance between the axes of the pair of holes in the disk. The tool is equipped with four oblique washers installed in pairs from the ends of the tool to smoothly change the angle of inclination of the disks from zero to the maximum value, while two oblique washers are located between the fixed flange and the reinforcing disk, and the movable flange is made in the form of two other oblique washers, the angle between the ends of each oblique washer is equal to half the maximum angle of inclination of the discs.

Кроме того, диаметр упрочняющего диска меньше диаметра дисков с проволочным ворсом на удвоенную величину натяга, с которым инструмент прижимают к обрабатываемой детали.In addition, the diameter of the reinforcing disk is less than the diameter of the disks with wire pile by twice the amount of interference with which the tool is pressed against the workpiece.

Особенности конструкции предлагаемого инструмента поясняется чертежами.Design features of the proposed tool is illustrated by drawings.

На фиг.1 изображена схема обработки комбинированным иглоупрочняющим инструментом, где показан общий вид инструмента с наладкой на максимальный угол наклона режущего и упрочняющего слоя; на фиг.2 - продольный разрез инструмента с наладкой на максимальный угол наклона режущего и упрочняющего слоя; на фиг.3 - развертка следа комбинированного инструмента с максимальным углом наклона на обработанной поверхности (см. фиг.1); на фиг.4 - частичный продольный разрез инструмента с наладкой на нулевой угол наклона режущего и упрочняющего слоя; на фиг.5 - схема сборки дисков с проволочными пучками (иглофрезы); на фиг.6 - разрез А-А на фиг.1.Figure 1 shows the processing diagram of the combined needle-reinforcing tool, which shows a General view of the tool with adjustment to the maximum angle of inclination of the cutting and hardening layer; figure 2 is a longitudinal section of a tool with adjustment to the maximum angle of inclination of the cutting and reinforcing layer; figure 3 - scan trace of a combined tool with a maximum angle of inclination on the machined surface (see figure 1); figure 4 is a partial longitudinal section of a tool with adjustment to zero angle of inclination of the cutting and hardening layer; figure 5 is a diagram of the assembly of disks with wire bundles (acupuncture); Fig.6 is a section aa in Fig.1.

Предлагаемый комбинированный иглоупрочняющий инструмент предназначен для совместной и последовательной обработки иглофрезерованием и фрикционным поверхностным упрочнением.The proposed combined needle-reinforcing tool is designed for joint and sequential processing by needle milling and friction surface hardening.

Инструмент содержит корпус 1 в виде втулки с установленными на ней дисками, один из которых 2 гладкий с рабочей поверхностью на его периферии. Остальные диски 3 имеют размещенные по периферии отверстия 4 для крепления U-образных пучков 5 проволочного ворса.The tool contains a housing 1 in the form of a sleeve with disks mounted on it, one of which 2 is smooth with a working surface on its periphery. The remaining disks 3 have holes 4 located on the periphery for fastening the U-shaped bundles 5 of the wire pile.

Неподвижный фланец 6 принадлежит корпусу 1 и служит для фиксации дисков 2 и 3 на нем. Инструмент содержит четыре косые шайбы 7 по две штуки с каждого торца инструмента, из которых две расположены между неподвижным фланцем 6 и гладким диском 2, а две остальные вместо подвижного фланца с другого торца инструмента.The fixed flange 6 belongs to the housing 1 and serves to fix the disks 2 and 3 on it. The tool contains four oblique washers 7, two pieces from each end of the tool, two of which are located between the fixed flange 6 and the smooth disk 2, and the other two instead of the movable flange from the other end of the tool.

Подвижный фланец в виде двух косых шайб 7 закреплен гайкой 8.The movable flange in the form of two oblique washers 7 is fixed by a nut 8.

Каждый U-образный пучок 5 проволочного ворса закреплен на диске 3 так, что участок его сгиба размещен между парой отверстий 4, а его свободные концы проходят через эти отверстия и расположены радиально по отношению к оси корпуса 1. Расстояние между осями каждой пары отверстий диска 3 не превышает удвоенного диаметра d отверстия.Each U-shaped bundle 5 of wire pile is fixed on the disk 3 so that the section of its bend is placed between a pair of holes 4, and its free ends pass through these holes and are located radially with respect to the axis of the housing 1. The distance between the axes of each pair of holes of the disk 3 does not exceed twice the diameter d of the hole.

Диски 3 установлены со смещением один относительно другого так, что U-образные пучки ворса 5 одного из них расположены между пучками другого.The disks 3 are installed with an offset of one relative to the other so that the U-shaped tufts of pile 5 of one of them are located between the tufts of the other.

Расстояние l между осями отверстий 4 двух рядом расположенных по длине корпуса 1 дисков 3 равно половине расстояния L между осями пары отверстий 4 в диске. Для повышения жесткости на корпусе 1 установлен гладкий диск 2, дополнительный фланец 9 и гайка 10.The distance l between the axes of the holes 4 of two adjacent disks 3 located along the length of the housing 1 is equal to half the distance L between the axes of the pair of holes 4 in the disk. To increase rigidity, a smooth disk 2, an additional flange 9 and a nut 10 are installed on the housing 1.

Диски 2 и 3 установлены под острым углом к плоскости, перпендикулярной оси вращения, благодаря косым шайбам 7, расположенным между фланцем 6 и диском 2, а также между гайкой 8 и дисками 3, и позволяющий плавно изменять угол наклона дисков от нуля до максимального значения. Угол между торцами косой шайбы 7 равен α_mах/2 половине максимального угла α_max наклона дисков 2 и 3.Disks 2 and 3 are installed at an acute angle to a plane perpendicular to the axis of rotation, thanks to the oblique washers 7 located between the flange 6 and the disk 2, as well as between the nut 8 and the disks 3, which allows smoothly changing the angle of inclination of the disks from zero to the maximum value. The angle between the ends of the oblique washer 7 is equal to α _max / 2 half of the maximum angle α _{max of the} inclination of the disks 2 and 3.

Гладкий диск 2 выполнен как упрочняющий из материала с низким коэффициентом теплопроводности. Диаметр D₂ упрочняющего диска 2 берут меньше диаметра D₃ дисков 3 иглофрезы на удвоенную величину натяга, с которым инструмент прижимается к детали.Smooth disk 2 is made as reinforcing of a material with a low coefficient of thermal conductivity. The diameter D _{2 of the} reinforcing disk 2 is taken less than the diameter D _{3 of the} disks 3 of the acupuncture by twice the amount of interference with which the tool is pressed against the part.

Сборка инструмента осуществляется следующим образом.Assembly tool is as follows.

Нарезается проволока из бухты и набираются пучки диаметром, близким к диаметру отверстия 4. Затем пучки перегибаются и концами продеваются в соседние отверстия 4 диска 3, после чего они вторично перегибаются уже в радиальном направлении диска. Затем диски 3 надеваются на корпус 1 до упора в гладкий диск 2 и косые шайбы 7, предварительно установленные на корпусе, фиксируются с противоположной стороны другими косыми шайбами с последующей затяжкой под прессом гайкой 8. Диски 3 устанавливаются на корпусе 1 таким образом, что пучки ворса на одном диске располагаются между пучками ворса на рядом стоящем диске. Косые шайбы 7, попарно установленные с торцов инструмента, для настройки инструмента на максимальный угол наклона дисков располагаются попарно максимальной толщиной в диаметрально противоположных местах (см. фиг.2). Для настройки инструмента на минимальный угол диски располагаются максимальной толщиной в диаметрально противоположных местах в каждой паре (см. фиг.4).The wire from the bay is cut and bundles are dialed with a diameter close to the diameter of the hole 4. Then, the bundles are bent and threaded into adjacent holes 4 of the disk 3, after which they are bent again in the radial direction of the disk. Then, the disks 3 are put on the casing 1 until they stop in the smooth disk 2 and the oblique washers 7, pre-installed on the casing, are fixed on the opposite side by other oblique washers, followed by nut 8. The disks 3 are installed on the casing 1 so that the tufts of pile on one disk are located between tufts of pile on a adjacent disk. Slanting washers 7, installed in pairs from the ends of the tool, to set the tool to the maximum angle of inclination of the discs are arranged in pairs with the maximum thickness in diametrically opposite places (see figure 2). To adjust the tool to the minimum angle, the disks are located with the maximum thickness in diametrically opposite places in each pair (see figure 4).

Инструмент используют следующим образом.The tool is used as follows.

Инструмент устанавливается на вал, которому сообщается вращение, и подводится к обрабатываемой поверхности. Концы проволочного ворса, взаимодействуя с обрабатываемой поверхностью, осуществляют микрорезание. При небольшом вылете ворса (15...20 мм) инструмент работает как иглофреза.The tool is mounted on a shaft to which rotation is communicated and brought to the work surface. The ends of the wire pile, interacting with the treated surface, carry out micro-cutting. With a small overhang of the pile (15 ... 20 mm), the tool works like an acupuncture.

Вслед за обработкой поверхности иглофрезерованием ведется фрикционное поверхностное упрочнение гладким диском 2. Инструмент вращается с окружной скоростью не менее V=60...70 м/с и прижимается с постоянным усилием 600...1000 Н к обрабатываемой детали, например (применительно к круглому иглоупрочнению), вращающейся с окружной скоростью 0,02...0,08 м/с. Продольная подача инструмента относительно детали составляет S=0,6...1,5 мм/об. Длина линии контакта упрочняющего диска 2 с обрабатываемой деталью составляет В_у=5...8 мм. При трении диска 2 и детали в зоне их контакта происходит локальный импульсный нагрев поверхности обрабатываемой детали до температуры 800...1000°С. В зону обработки подают смазывающе-охлаждающую среду (СОС), например масло минеральное И-12А, которое обеспечивает быстрое охлаждение упрочняемой поверхности. В результате упрочнения на поверхности детали возникают структуры белых слоев толщиной 100...150 мкм с повышенной микротвердостью (7...10 ГПа). В зоне фрикционного скользящего контакта образуется определенное количество теплоты, доминирующая часть которой уходит в быстро вращающийся инструмент. Поэтому в качестве материала диска 2 выбирают титановый сплав или нержавеющую сталь, обладающие низкой теплопроводностью (λ=21,9...25,5 Вт/м·К) [2].Following the surface treatment by needle milling, friction surface hardening is carried out with a smooth disk 2. The tool rotates at a peripheral speed of at least V = 60 ... 70 m / s and is pressed with a constant force of 600 ... 1000 N to the workpiece, for example (with reference to the round needle hardening), rotating at a peripheral speed of 0.02 ... 0.08 m / s. The longitudinal feed of the tool relative to the part is S = 0.6 ... 1.5 mm / rev. The length of the contact line of the hardening disk 2 with the workpiece is V _y = 5 ... 8 mm. During friction of the disk 2 and the part in the area of their contact, a local pulse heating of the surface of the workpiece to a temperature of 800 ... 1000 ° C occurs. A lubricating-cooling medium (SOS), for example, mineral oil I-12A, which provides quick cooling of the hardened surface, is fed into the treatment zone. As a result of hardening, structures of white layers with a thickness of 100 ... 150 μm with increased microhardness (7 ... 10 GPa) arise on the surface of the part. A certain amount of heat is formed in the frictional sliding contact zone, the dominant part of which goes into a rapidly rotating tool. Therefore, a titanium alloy or stainless steel having low thermal conductivity (λ = 21.9 ... 25.5 W / m · K) is chosen as the material of disk 2 [2].

При сочетании большой скорости вращения инструмента и синусоидального осциллирования в продольном направлении зоны контакта упрочняющего диска 2 с обрабатываемой деталью происходит мгновенная смена упрочняемой поверхности и мгновенный отвод тепла из предыдущего участка контакта (охлаждение последнего СОС). При попадании в осциллирующую зону упрочняющего диска проволочного ворса также происходит мгновенный отвод тепла с поверхности упрочняемой детали (см. фиг.3). Это приводит к циклическому изменению температуры на поверхности упрочняемой детали и соответственно к увеличению глубины упрочненного слоя до 150...220 мкм.With the combination of a high speed of rotation of the tool and sinusoidal oscillations in the longitudinal direction of the contact zone of the reinforcing disk 2 with the workpiece, there is an instant change of the hardened surface and an instant heat removal from the previous contact section (cooling of the last SOS). When hit in the oscillating zone of the reinforcing disk of a wire pile, there is also an instantaneous heat removal from the surface of the hardened part (see figure 3). This leads to a cyclical change in temperature on the surface of the hardened part and, accordingly, to an increase in the depth of the hardened layer to 150 ... 220 microns.

Угол наклона упрочняющего диска выбирают из соотношенияThe angle of inclination of the reinforcing disk is chosen from the ratio

α=arc tg(B_y/D₂),α = arc tg (B _y / D ₂ ),

где B_y - длина линии контакта упрочняющего диска 2 с обрабатываемой деталью, т.е. рабочая высота диска;where B _y is the length of the contact line of the reinforcing disk 2 with the workpiece, i.e. working height of a disk;

D₂ - диаметр упрочняющего диска 2.D ₂ - the diameter of the reinforcing disk 2.

При величине α<arc tg (B_y/D₂) увеличение глубины упрочненного слоя незначительно, но отвод тепла ухудшается, а при величине α>arc tg (B_y/D₂) отвод тепла улучшается, происходит дальнейшее незначительное увеличение толщины упрочненного слоя, однако это приводит к росту дисбаланса и ухудшению качества.When α <arc tg (B _y / D ₂ ), the increase in the depth of the hardened layer is insignificant, but the heat dissipation worsens, and when α> arc tg (B _y / D ₂ ) the heat dissipation improves, there is a further slight increase in the thickness of the hardened layer, however, this leads to an increase in imbalance and deterioration in quality.

Использование предлагаемого технического решения позволяет повысить эффективность использования комбинированного иглоупрочняющего инструмента в целом, а также части его - иглофрезы с надежным креплением проволочного ворса за счет повышения набивки ворса и жесткости иглофрезы. Надежность крепления ворса позволяет высокопроизводительно и качественно удалять значительные припуски, т.е. работать в тяжелых условиях. Что касается фрикционной упрочняющей части инструмента, то она проста по конструкции и надежна в эксплуатации. Получаемые на поверхности упрочняемой детали структуры белых слоев обладают повышенной твердостью, а соответственно износостойкостью и сопротивлением усталостному разрушению. Комбинированный иглоупрочняющий инструмент расширяет технологические возможности обработки благодаря совмещению иглофрезерования и упрочнения, сокращает вспомогательное время, повышает в 2...2,5 раза производительность обработки, улучшает качество и шероховатость обрабатываемой поверхности.The use of the proposed technical solution allows to increase the efficiency of using a combined needle-reinforcing tool as a whole, as well as part of it - an acupuncture with reliable fastening of a wire pile by increasing the stuffing of the pile and the rigidity of the acupuncture. Reliability of the pile attachment allows high-performance and high-quality removal of significant allowances, i.e. work in difficult conditions. As for the friction hardening part of the tool, it is simple in design and reliable in operation. The structures of the white layers obtained on the surface of the hardened part have increased hardness and, accordingly, wear resistance and resistance to fatigue failure. The combined needle-strengthening tool expands the technological capabilities of processing due to the combination of needle-milling and hardening, reduces the auxiliary time, increases the processing productivity by 2 ... 2.5 times, improves the quality and roughness of the processed surface.

Источники информацииSources of information

1. Патент США № 2983940, кл. 15-181. 19611. US patent No. 2983940, CL. 15-181. 1961

2. Авт.свид. 1712135, МКИ В 24 В 39/04. Инструмент для фрикционного поверхностного упрочнения. В.И.Кырылив и Т.Н.Каличак. Заявка № 4732876/27, завл. 29.08.90, опубл. 15.02.92. Бюл. № 6.2. Autosvid. 1712135, MKI V 24 V 39/04. Tool for friction surface hardening. V.I. Kyryliv and T.N. Kalichak. Application No. 4732876/27, head 08/29/90, publ. 02/15/92. Bull. Number 6.

Claims

1. A combined needle-reinforcing tool, characterized in that it contains a case in the form of a sleeve with disks mounted on it at an acute angle to the plane perpendicular to the axis of rotation of the tool, disks and a movable and fixed flanges for fixing disks on the sleeve, while one of the disks is made reinforcing and smooth with a working surface on its periphery from a material with a low coefficient of thermal conductivity, and the remaining disks are made with holes located on their periphery for attaching U-shaped wire bundles about the pile and are installed with an offset of one relative to another from the condition of placing the tufts of pile of one of them between the tufts of the other, and the distance between the axes of the holes of two adjacent discs located along the length of the sleeve is half the distance between the axes of the pair of holes in the disk.

2. The tool according to claim 1, characterized in that it is equipped with four oblique washers installed in pairs from the ends of the tool to smoothly change the angle of inclination of the disks from zero to a maximum value, while two oblique washers are located between the fixed flange and the reinforcing disk, and the movable the flange is made in the form of two other oblique washers, and the angle between the ends of each oblique washer is equal to half the maximum angle of inclination of the disks.

3. The tool according to claim 1 or 2, characterized in that the diameter of the reinforcing disk is less than the diameter of the disks with wire pile by twice the amount of interference with which the tool is pressed against the workpiece.