RU2303516C1

RU2303516C1 - Strengthening method by means of elastic tool

Info

Publication number: RU2303516C1
Application number: RU2005137071/02A
Authority: RU
Inventors: Юрий Сергеевич Степанов (RU); Юрий Сергеевич Степанов; Андрей Викторович Киричек (RU); Андрей Викторович Киричек; Николай Николаевич Самойлов (RU); Николай Николаевич Самойлов; Борис Иванович Афанасьев (RU); Борис Иванович Афанасьев; Дмитрий Сергеевич Фомин (RU); Дмитрий Сергеевич Фомин; Владимир Ильич Сотников (RU); Владимир Ильич Сотников; Юрий Валерьевич Василенко (RU); Юрий Валерьевич Василенко
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2007-07-27

Abstract

FIELD: manufacturing processes in machine engineering, namely methods finishing and strengthening blanks in the form of screw or smooth shafts, stepped shaft or eccentric shaft.

SUBSTANCE: method comprises steps of using elastic tool having body with openings on its ends for screwing in flanges into them and deforming members in the form of turns of helical cylindrical spring. Spring turns are arranged across blank. Spring is coiled clockwise, it embraces blank and is rigidly secured by its end portions to flanges. Elastic tool is adjusted according to predetermined effort of strengthening working by twisting spring due to rotation of flanges and fixation of their circumference position. Blank is imparted to rotation and tool is imparted to lengthwise motion.

EFFECT: enlarged manufacturing possibilities, enhanced efficiency, improved hardness of worked surface, lowered cost price of the whole process.

3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к отделочно-упрочняющей обработке заготовок типа винтов и эксцентриковых валов из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием многоэлементным обкатывающим упругим инструментом в виде пружины.The invention relates to mechanical engineering technology, in particular to finishing and hardening processing of workpieces such as screws and eccentric shafts made of steels and alloys by surface plastic deformation by a multi-element rolling elastic tool in the form of a spring.

Известен способ динамического упрочнения поверхностным пластическим деформированием с помощью вращающегося пружинного инструмента, состоящий из дисковой державки, на наружной поверхности которой закреплена свернутая в кольцо цилиндрическая пружина [1]. Отдельные витки пружины при рабочем вращении державки играют роль деформирующих элементов, которые взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью вращающейся детали, установленной на токарно-винторезном станке.A known method of dynamic hardening by surface plastic deformation using a rotating spring tool, consisting of a disk holder, on the outer surface of which is fixed a coil spring rolled into a ring [1]. Separate turns of the spring during the working rotation of the holder play the role of deforming elements that interact with the machined surface of the rotating part mounted on a screw-cutting lathe.

Недостатками известного способа являются низкая производительность и невысокое качество обрабатываемой поверхности из-за небольшого количества деформирующих элементов, одномоментно контактирующих с заготовкой, малой подачи и малого каплевидного пятна контакта деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью. Кроме того, известный способ не позволяет обрабатывать винтовые поверхности винтов и эксцентриковые валы.The disadvantages of this method are low productivity and low quality of the processed surface due to the small number of deforming elements in contact with the workpiece at the same time, low feed and a small drop-shaped contact spot of deforming elements with the processed surface. In addition, the known method does not allow to treat the helical surfaces of the screws and eccentric shafts.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей, заключающееся в повышении параметра шероховатости обработанной поверхности, увеличении ее твердости на значительную глубину благодаря выглаживающему действию большого количества деформирующих элементов, повышении производительности за счет увеличения пятна контакта деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью и возможности применения больших подач и регулирования рабочих усилий, а также возможности обрабатывать винтовые поверхности винтов и эксцентриковые валы по сниженной себестоимости процесса и дешевом изготовлении оснастки благодаря компактности и простоте ее конструкции.The objective of the invention is the expansion of technological capabilities, which consists in increasing the roughness parameter of the treated surface, increasing its hardness to a considerable depth due to the smoothing effect of a large number of deforming elements, increasing productivity by increasing the contact spot of deforming elements with the treated surface and the possibility of using large feeds and adjusting working forces as well as the ability to process screw surfaces of screws and exce serge shafts at a reduced process cost and low-cost production due to manufacturing simplicity and compactness of its design.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого способа упрочняющей обработки упругим инструментом заготовок в виде винта, или гладкого вала, или ступенчатого вала, или эксцентрикового вала, характеризующийся тем, что используют упругий инструмент, содержащий корпус с отверстиями на его торцах, в которые ввернуты фланцы и деформирующие элементы в виде витков винтовой цилиндрической пружины из стальной проволоки круглого сечения, которые расположены поперек заготовки, пружина свернута по винтовой линии и жестко закреплена концами во фланцах, при этом заготовку вводят в охватывающую ее пружину, осуществляют настройку упругого инструмента на заданное усилие упрочняющей обработки путем закручивания пружины за счет вращения фланцев и фиксации их в окружном положении, сообщают вращательное движение заготовке и движение продольной подачи упругому инструменту.The problem is solved using the proposed method of hardening an elastic tool with workpieces in the form of a screw, or a smooth shaft, or a stepped shaft, or an eccentric shaft, characterized in that they use an elastic tool containing a housing with holes at its ends, into which are flanged and deforming elements in the form of coils of a coil spring from a round steel wire that are transverse to the workpiece, the spring is folded along a helix and rigidly fixed to the ends and in the flanges, while the workpiece is introduced into the spring enveloping it, the elastic tool is set for a given hardening treatment force by twisting the spring by rotating the flanges and fixing them in a circumferential position, the rotational movement of the workpiece and the longitudinal feed movement of the elastic tool are reported.

Особенности способа поясняются чертежами.Features of the method are illustrated by drawings.

На фиг.1 показана схема упрочнения винта предлагаемым способом, который реализуется с помощью упрочняющей головки с упругим инструментом в виде винтовых витков пружины, частичный продольный разрез; на фиг.2 - общий вид слева упругого деформирующего инструмента - пружины с витками, развернутыми и расположенными в поперечной плоскости; на фиг.3 - поперечное ступенчатое сечение А-А на фиг.1.Figure 1 shows a diagram of the hardening of the screw of the proposed method, which is implemented using a hardening head with an elastic tool in the form of helical coils of a spring, a partial longitudinal section; figure 2 is a General view from the left of the elastic deforming tool - springs with turns, deployed and located in the transverse plane; figure 3 is a transverse stepped section aa in figure 1.

Предлагаемый способ упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием наружных поверхностей вращения заготовок типа валов и винтов с большим шагом, например винтов винтовых насосов, а также эксцентриковых валов осуществляется с помощью головки с упругим инструментом.The proposed method of hardening by surface plastic deformation of the outer surfaces of rotation of workpieces such as shafts and screws with a large pitch, for example screws of screw pumps, as well as eccentric shafts, is carried out using a head with an elastic tool.

Обработку выполняют на токарных, карусельных станках с сообщением вращательного движения заготовке - V_з, а головке - движение продольной подачи S_пр.Processing is performed on turning, rotary machines with the message of the rotational movement of the workpiece - V _s , and the head - the movement of the longitudinal feed S _pr

Корпус 1 головки представляет собой обечайку с окнами 2, перемычками 3 на наружной цилиндрической поверхности и основанием 4. В торцах корпуса 1 выполнены резьбовые отверстия, куда ввернуты фланцы 5 в виде гаек с наружной резьбовой поверхностью и пазами 6 под ключ. Фланцы 5 имеют центральные отверстия для расположения в них заготовки. На наружной резьбовой поверхности фланцев 5 расположены контргайки 7, а с торцов установлены крепежные винты 8.The head housing 1 is a shell with windows 2, jumpers 3 on the outer cylindrical surface and the base 4. At the ends of the housing 1 there are threaded holes where the flanges 5 are screwed in the form of nuts with an external threaded surface and keyways 6. Flanges 5 have central openings for locating the workpiece in them. Locking nuts 7 are located on the outer threaded surface of the flanges 5, and fixing screws 8 are installed from the ends.

В корпусе 1 установлена и закреплена свернутая по винтовой линии винтовая цилиндрическая пружина 9 из стальной проволоки круглого сечения, отдельные витки 10 которой являются деформирующими элементами.In the housing 1, a helical coil spring 9 made of round steel cross-section, mounted on a helix, is installed and fixed, the individual turns 10 of which are deforming elements.

Витки 9 пружины 10 деформированы и развернуты таким образом, что плоскости витков расположены в поперечной плоскости (см. фиг.2).The coils 9 of the spring 10 are deformed and deployed so that the planes of the coils are located in the transverse plane (see figure 2).

Сама же пружина 9 свернута по винтовой линии и охватывает заготовку 11 большим количеством витков, а концы пружины 9 жестко закреплены во фланцах 5 крепежными винтами 8.The spring 9 itself is folded along a helical line and covers the workpiece 11 with a large number of turns, and the ends of the spring 9 are rigidly fixed in the flanges 5 by fixing screws 8.

При вставленной в головку заготовки 11 путем вращения фланцев 5 и закручивания пружины 9 вокруг заготовки 11 добиваются нужного усилия воздействия деформирующих элементов на обрабатываемую поверхность. После установки необходимого натяга пружины 9 фланцы 5 фиксируют в данном окружном положении с помощью контргаек 7. По окончании обработки натяг пружины снимается.When inserted into the head of the workpiece 11 by rotating the flanges 5 and tightening the spring 9 around the workpiece 11, the desired force of action of deforming elements on the work surface is achieved. After installing the necessary spring preload 9, the flanges 5 are fixed in this circumferential position using lock nuts 7. At the end of the processing, the spring preload is removed.

Головка крепится на суппорте токарного станка (не показан), обрабатываемая заготовка, например винт 11, закрепляется в патроне 12 шпинделя 13 передней бабки 14 и поджимается центром 15 задней бабки 16.The head is mounted on a support of a lathe (not shown), the workpiece, for example screw 11, is fixed in the chuck 12 of the spindle 13 of the headstock 14 and is pressed by the center 15 of the tailstock 16.

После того как заготовка 11 закреплена в патроне 12, головку подводят к свободному концу заготовки и с помощью ручной продольной подачи суппорта, преодолевая сопротивление деформирующей пружины 9, нанизывают головку на заготовку, а затем поджимают задним центром 15.After the workpiece 11 is fixed in the cartridge 12, the head is brought to the free end of the workpiece and using manual longitudinal feed of the caliper, overcoming the resistance of the deforming spring 9, string the head on the workpiece, and then tighten the back center 15.

Перед включением станка производят настройку на нужное усилие обкатывания путем вращения специальным ключом одного из фланцев 5, закручивания пружину 9 вокруг заготовки 11 и контролируют значение усилия по шкале (не показана), нанесенной на торце корпуса. Контргайкой 7 фиксируют положение фланца 5. Для равномерного натяжения пружины по всей винтовой поверхности заготовки регулировку натяжения пружины осуществляют двумя фланцами последовательно.Before turning on the machine, it is adjusted to the required breaking-in force by rotating one of the flanges 5 with a special key, twisting the spring 9 around the workpiece 11 and controlling the value of the force on a scale (not shown) applied to the end of the case. Lock nut 7 fix the position of flange 5. For uniform spring tension over the entire helical surface of the workpiece, the spring tension is adjusted by two flanges in series.

Включают главное движение - вращение заготовки 11 и одновременно головке сообщают поступательную продольную подачу S_пр.Include the main movement - the rotation of the workpiece 11 and at the same time tell the head the progressive longitudinal feed S _PR

Сущность процесса заключается в том, что при работе головки деформирующая пружина с помощью устройства регулирования устанавливается с некоторым натягом относительно обрабатываемой заготовки, охватывая ее.The essence of the process lies in the fact that during operation of the head, the deforming spring with the help of a control device is installed with some interference against the workpiece being machined, covering it.

Обкатывание осуществляется витками 10 пружины 9, оказывающими давление на поверхность обрабатываемой заготовки.The rolling is carried out by turns 10 of spring 9, exerting pressure on the surface of the workpiece.

При определенном (рабочем) усилии в зоне контакта деформирующих элементов и заготовки интенсивность напряжений превышает предел текучести, в результате чего происходит пластическая деформация микронеровностей, изменяются физико-механические свойства и структура поверхностного слоя (например, увеличивается микротвердость или возникают остаточные напряжения в поверхностном слое).With a certain (working) force in the contact zone between the deforming elements and the workpiece, the stress intensity exceeds the yield strength, resulting in plastic deformation of microroughnesses, the physical and mechanical properties and structure of the surface layer change (for example, microhardness increases or residual stresses arise in the surface layer).

Объемная деформация заготовки незначительна.Volumetric deformation of the workpiece is negligible.

Наличие упругого элемента, которым является деформирующая пружина 9, обеспечивает постоянное усилие обкатывания в любой точке обрабатываемой поверхности.The presence of an elastic element, which is a deforming spring 9, provides a constant rolling force at any point on the surface to be treated.

Развернутость витков 9 деформирующей пружины 10 позволяет расположить их поперек обрабатываемого вала, увеличить пятно контакта инструмента с заготовкой и придать ей новую эллипсоидальную форму, а также дает возможность обрабатывать фасонные поверхности, описанные кривыми второго порядка, какой является, например, винтовая поверхность.The unfolding of the coils 9 of the deforming spring 10 allows you to position them across the work shaft, increase the contact spot of the tool with the workpiece and give it a new ellipsoidal shape, and also makes it possible to process shaped surfaces described by second-order curves, such as, for example, a helical surface.

При этом поперечное расположение деформирующих витков пружины относительно заготовки позволяет обрабатывать фасонные поверхности с меньшей кривизной, зависящей только от диаметра проволоки и не зависящей от наружного диаметра витка пружины.In this case, the transverse arrangement of the deforming coil of the spring relative to the workpiece allows you to process shaped surfaces with less curvature, depending only on the diameter of the wire and independent of the outer diameter of the coil of the spring.

В результате пластической деформации микронеровностей и поверхностного слоя параметр шероховатости поверхности повышается до Ra=0,1...0,4 мкм при исходном значении Ra=0,8...3,2 мкм. Твердость поверхности увеличивается на 30...80% при глубине наклепанного слоя 0,3...3 мм. Остаточные напряжения сжатия достигают на поверхности 400...800 МПа.As a result of plastic deformation of microroughnesses and the surface layer, the surface roughness parameter increases to Ra = 0.1 ... 0.4 μm with the initial value Ra = 0.8 ... 3.2 μm. The surface hardness increases by 30 ... 80% with a riveted layer depth of 0.3 ... 3 mm. Residual compressive stresses reach 400 ... 800 MPa on the surface.

Предварительная обработка заготовки: шлифование до значения параметра шероховатости Ra=0,4...1,6 мкм, а также чистовое точение поверхностей с шероховатостью Ra=3,2 мкм.Pre-treatment of the workpiece: grinding to a roughness parameter value Ra = 0.4 ... 1.6 μm, as well as finishing turning of surfaces with a roughness Ra = 3.2 μm.

Упрочнение по предлагаемому способу применяют при изготовлении заготовок из цветных металлов и сплавов, чугуна и стали твердостью до HRC 58...64.Hardening by the proposed method is used in the manufacture of blanks from non-ferrous metals and alloys, cast iron and steel with hardness up to HRC 58 ... 64.

Деформирующие элементы пружины изготовляют из сталей: легированных ШХ15, ХВГ, 9Х, 5ХНМ, углеродистых инструментальных У10А, У12А, быстрорежущих Р6М5, Р9. Твердость рабочей поверхности витков из сталей HRC 62...65. Параметр шероховатости рабочего профиля витков пружины Ra=0,32 мкм.The deforming elements of the spring are made of steel: alloyed ShKh15, KhVG, 9Kh, 5KhNM, carbon tool U10A, U12A, high-speed P6M5, P9. Hardness of the working surface of coils made of HRC 62 ... 65 steels. The roughness parameter of the working profile of the coil of the spring Ra = 0.32 μm.

Производительность процесса упрочнения определяется радиусом витка деформирующей пружины и диаметром проволоки, из которой изготовлена пружина.The productivity of the hardening process is determined by the radius of the coil of the deforming spring and the diameter of the wire from which the spring is made.

Инструмент с большими радиусом витка деформирующей пружины и диаметром проволоки позволяют вести обработку с большой подачей (до 3 мм/об), однако в этом случае для получения высокого качества поверхности необходимо создавать большие рабочие усилия. От значения допустимого рабочего усилия зависят параметры деформирующей пружины.A tool with a large radius of the coil of the deforming spring and the diameter of the wire allows processing with a large feed (up to 3 mm / rev), however, in this case, to obtain a high surface quality, it is necessary to create large working forces. The parameters of the deforming spring depend on the value of the allowable working force.

Предлагаемый способ обеспечивает постоянное усилие контакта деформирующих элементов и обрабатываемой поверхности и почти не уменьшает погрешности предшествующей обработки.The proposed method provides a constant contact force of the deforming elements and the work surface and almost does not reduce the error of the previous processing.

Изменение размера поверхности при упрочнении связано со смятием микронеровностей и пластической объемной деформацией заготовки. Таким образом, точность обработанной заготовки будет зависеть от ее конструкции и конструкции упрочняющей головки, режимов обработки, а также от точности размеров, формы и качества поверхности заготовки, полученной при обработке на предшествующем переходе. Величина изменения размера зависит от состояния исходной поверхности (см. таблицу).The change in surface size during hardening is associated with crushing of microroughnesses and plastic bulk deformation of the workpiece. Thus, the accuracy of the processed workpiece will depend on its design and the design of the reinforcing head, processing conditions, as well as on the accuracy of the size, shape and surface quality of the workpiece obtained during processing at the previous transition. The size of the change in size depends on the state of the initial surface (see table).

1. Изменение размеров поверхностей заготовки при обкатывании предлагаемой головкой в зависимости от шероховатости исходной поверхности1. Changing the size of the surfaces of the workpiece when rolling the proposed head, depending on the roughness of the original surface Способ предварительной обработкиPretreatment Method Параметр шероховатости Ra, ммRoughness parameter Ra, mm Величина, на которую изменяется размер после обработки, ммThe size by which the size changes after processing, mm ТочениеTurning 6,36.3 0,02...0,060.02 ... 0.06 3,23.2 0,01...0,040.01 ... 0.04 1,61,6 0,01...0,020.01 ... 0.02 Точение бреющим (широким) резцомShaving with a (wide) cutter 3,23.2 0,01...0,020.01 ... 0.02 1,61,6 до 0,01up to 0.01 ШлифованиеGrinding 3,23.2 0,01...0,030.01 ... 0.03 1,61,6 0,01...0,020.01 ... 0.02

При этом точность размеров существенно не меняется. Неблагоприятные условия обработки заготовки вблизи торцов приводят к увеличенной пластической деформации заготовки на участках длиной 3...15 мм.Moreover, the dimensional accuracy does not change significantly. Adverse conditions for processing the workpiece near the ends lead to increased plastic deformation of the workpiece in areas of length 3 ... 15 mm.

Наиболее целесообразно обрабатывать исходные поверхности 7...11-го квалитетов.It is most expedient to process the initial surfaces of the 7 ... 11th qualifications.

При поверхностно пластическом деформировании предлагаемым способом практически достигаются параметры шероховатости Ra=0,2...0,8 мкм при исходных значениях этих параметров 0,8...6,3 мкм. Степень уменьшения шероховатости поверхности зависит от материала, рабочего усилия или натяга, подачи, исходной шероховатости, конструкции инструмента и т.д.With surface plastic deformation by the proposed method, roughness parameters Ra = 0.2 ... 0.8 μm are practically achieved with the initial values of these parameters 0.8 ... 6.3 μm. The degree of reduction in surface roughness depends on the material, working force or interference, feed, initial roughness, tool design, etc.

Упрочнение по предлагаемому способу следует проводить так, чтобы заданные результаты достигались за один проход. Не следует использовать обратный ход в качестве рабочего хода, так как повторные проходы в противоположных направлениях могут привести к излишнему деформированию и отслаиванию поверхностного слоя.Hardening by the proposed method should be carried out so that the desired results are achieved in one pass. Do not use the reverse stroke as a working stroke, as repeated passes in opposite directions can lead to excessive deformation and peeling of the surface layer.

Скорость не оказывает заметного влияния на результаты обработки и выбирается с учетом требований производительности, конструктивных особенностей заготовки и оборудования. Обычно скорость составляет 30...150 м/мин. Значение усилия упрочнения выбирают в зависимости от цели обработки. Оптимальное усилие Р (Н), соответствующее максимальному пределу выносливости, определяют по формулеThe speed does not significantly affect the processing results and is selected taking into account the requirements of productivity, design features of the workpiece and equipment. Usually the speed is 30 ... 150 m / min. The value of the hardening force is selected depending on the purpose of the treatment. The optimal force P (N) corresponding to the maximum endurance limit is determined by the formula

где D - диаметр обкатываемой поверхности заготовки.where D is the diameter of the rolled surface of the workpiece.

Подачу при упрочнении принимают 0,2...3 мм/об. Оптимальная подача S_э на один деформирующий элемент не должна превышать 0,1...0,5 мм/об. Подачу на один оборот заготовки определяют по формуле: S=kS_э, где k - число деформирующих элементов.The flow rate during hardening is 0.2 ... 3 mm / rev. The optimal supply of S _e for one deforming element should not exceed 0.1 ... 0.5 mm / rev. The feed per revolution of the workpiece is determined by the formula: S = kS _e , where k is the number of deforming elements.

Смазывающе-охлаждающей жидкостью при упрочнении служат машинное масло, смесь машинного масла с керосином (по 50%), сульфофрезол (5%-ная эмульсия). Обработку чугуна рекомендуется вести без охлаждения.The lubricating and cooling fluid during hardening is engine oil, a mixture of engine oil with kerosene (50% each), sulfofresol (5% emulsion). Cast iron processing is recommended without cooling.

Предлагаемый способ расширяет технологические возможности, повышает параметр шероховатости обрабатываемой поверхности, увеличивает ее твердость на значительную глубину благодаря выглаживающему действию большого количества деформирующих элементов, повышает производительность за счет увеличения пятна контакта деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью, применения больших подач и регулирования рабочих усилий, а также позволяет обрабатывать винтовые поверхности винтов и эксцентриковые валы по сниженной себестоимости процесса и дешевом изготовлении инструмента благодаря компактности и простоте его конструкции.The proposed method extends technological capabilities, increases the roughness parameter of the processed surface, increases its hardness to a considerable depth due to the smoothing effect of a large number of deforming elements, increases productivity by increasing the contact spot of deforming elements with the treated surface, the use of large feeds and regulation of working forces, and also allows process screw surfaces of screws and eccentric shafts at a reduced cost process and cheap manufacturing of the tool due to the compactness and simplicity of its design.

Источник информацииThe source of information

1. Никифоров А.В., Сахаров В.В. Технологические возможности и перспективы чистовой и упрочняющей обработки упругим инструментом. - М., 1991 (Машиностроит. Пр-во. Сер. Прогрессивные технол. Процессы в машиностроении: Обзорн. информ. / ВНИИТЭМР. Вып.5) - С.31-36, рис.16-17.1. Nikiforov A.V., Sakharov V.V. Technological capabilities and prospects of finishing and hardening with an elastic tool. - M., 1991 (Mashinostroit. Pr-in. Ser. Progressive technology. Processes in engineering: Obzor. Inform. / VNIITEMR. Issue 5) - S.31-36, Fig. 16-17.

Claims

A method of hardening an elastic tool with processing workpieces in the form of a screw or a smooth shaft, or a stepped shaft, or an eccentric shaft, characterized in that they use an elastic tool containing a housing with holes at its ends, into which are flanged and deforming elements in the form of coils of a coil spring of steel wire of circular cross section, which are located across the workpiece, the spring is folded along a helical line and rigidly fixed by the ends in the flanges, while the workpiece is introduced into the female a spring, setting is performed resilient tool a predetermined force a hardening treatment by twisting the spring by the rotation of the flange and fixing them in the circumferential position, according to the rotational motion and the workpiece longitudinal feed motion of the resilient tool.