RU2312758C1

RU2312758C1 - Finish strengthening method by means of spring tool

Info

Publication number: RU2312758C1
Application number: RU2006108725/02A
Authority: RU
Inventors: Юрий Сергеевич Степанов (RU); Юрий Сергеевич Степанов; Андрей Викторович Киричек (RU); Андрей Викторович Киричек; Борис Иванович Афанасьев (RU); Борис Иванович Афанасьев; Дмитрий Сергеевич Фомин (RU); Дмитрий Сергеевич Фомин; Юрий Степанович Корнеев (RU); Юрий Степанович Корнеев; Николай Николаевич Самойлов (RU); Николай Николаевич Самойлов; Олег Михайлович Забродин (RU); Олег Михайлович Забродин; Наталь Николаевна Маркова (RU); Наталья Николаевна Маркова
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2007-12-20

Abstract

FIELD: manufacturing processes in machine engineering, namely methods for finishing-strengthening stepped shafts, eccentric shafts or screws with small height of profile.

SUBSTANCE: method comprises steps of imparting rotation to blank and imparting reciprocation motion to tool along axis of rotating blank; using tool having holder with bearing assemblies where plug with deforming member in the form of steel spring with round cross section turns is mounted. Ends of said spring are rigidly secured to plug. Elastic rings are fixed to plug in direction of spring turns for placing spring turns. On inner surface of spring turns lengthwise track is formed; profile of said track is similar to that of outer surface of elastic rings. It provides possibility for regulating tightness of spring turns.

EFFECT: enlarged manufacturing possibilities.

5 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к отделочно-упрочняющей обработки заготовок типа гладких, ступенчатых и эксцентриковых валов и винтов с небольшой высотой профиля из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием (ППД) многоэлементным обкатывающим инструментом с деформирующей кольцевой пружиной.The invention relates to mechanical engineering technology, in particular to hardening processing of workpieces such as smooth, stepped and eccentric shafts and screws with a small profile height of steels and alloys by surface plastic deformation (PPD) with a multi-element rolling tool with a deforming ring spring.

Известен способ для чистовой и упрочняющей обработки цилиндрических поверхностей и инструмент для его реализации, содержащий подпружиненный держатель и смонтированный в нем с возможностью свободного вращения деформирующий элемент, выполненный в виде пружины с наружным диаметром, не кратным диаметру обкатываемой поверхности [1].A known method for finishing and hardening processing of cylindrical surfaces and a tool for its implementation, comprising a spring-loaded holder and mounted in it with the possibility of free rotation of the deforming element, made in the form of a spring with an outer diameter that is not a multiple of the diameter of the rolled surface [1].

Недостатками известного способа и инструмента являются узкие технологические возможности и диапазон применения: только для гладких цилиндрических поверхностей.The disadvantages of the known method and tool are narrow technological capabilities and the range of application: only for smooth cylindrical surfaces.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей заключающиеся в том, что предлагаемый способ и инструмент позволит вести отделочно-упрочняющую обработку заготовок типа гладких, ступенчатых и эксцентриковых валов и винтов с небольшой высотой профиля из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием (ППД) многоэлементным обкатывающим инструментом с деформирующей подпружиненной кольцевой пружиной.The objective of the invention is the expansion of technological capabilities consisting in the fact that the proposed method and tool will allow finishing and hardening processing of workpieces such as smooth, stepped and eccentric shafts and screws with a small profile height of steel and alloys by surface plastic deformation (PPD) with a multi-element rolling tool with a deforming spring loaded ring spring.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого способа чистового упрочнения или гладких валов, или ступенчатых валов, или эксцентриковых валов, или винтов с небольшой высотой профиля, включающий сообщение вращательного движения заготовке и поступательного перемещения вдоль оси вращающейся заготовки инструменту, при этом используют инструмент, содержащий держатель с подшипниками, в которых установлена оправка с деформирующим элементом в виде стальной пружины с витками круглого сечения, концы которой жестко заделаны на оправке и неподвижно закрепленные на оправке в направлении витков пружины упругие кольца, на которых установлены витки пружины, на внутренней поверхности последних выполнена продольная дорожка с профилем, подобным профилю наружной поверхности упругих колец, для обеспечения контакта поверхности дорожки витка с наружной поверхностью упругих колец, при этом регулируют натяг витков пружины на упругих кольцах.The problem is solved using the proposed method of finish hardening or smooth shafts, or stepped shafts, or eccentric shafts, or screws with a small profile height, including a message about the rotational movement of the workpiece and translational movement along the axis of the rotating workpiece to the tool, using a tool containing a holder with bearings in which a mandrel with a deforming element is installed in the form of a steel spring with round turns, the ends of which are rigidly sealed on the mandrel and elastic rings fixed on the mandrel in the direction of the spring coils, on which the spring coils are mounted, a longitudinal track is made on the inner surface of the latter with a profile similar to the profile of the outer surface of the elastic rings to ensure that the surface of the coil track contacts the outer surface of the elastic rings, while adjusting interference of spring coils on elastic rings.

Особенности конструкции инструмента поясняются чертежами.Features of the design of the tool are illustrated by drawings.

На фиг.1 показана схема обкатывания винта с небольшой высотой профиля предлагаемым способом с помощью пружинного упрочняющего инструмента с деформирующими элементами в виде витков кольцевой пружины, общий вид; на фиг.2 - конструкция инструмента, частичный продольный разрез; на фиг.3 - поперечный разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 - вид слева по Б на фиг.2; на фиг.5 - сечение В-В на фиг.2.Figure 1 shows a diagram of rolling a screw with a small profile height by the proposed method using a spring hardening tool with deforming elements in the form of coil spring coils, general view; figure 2 - construction of the tool, a partial longitudinal section; figure 3 is a cross section aa in figure 2; figure 4 is a left view along B in figure 2; figure 5 - section bb in figure 2.

Предлагаемый способ и инструмент предназначен для обработки поверхностным пластическим деформированием наружных поверхностей вращения заготовок типа гладких, ступенчатых и эксцентриковых валов и винтов с большим шагом и небольшой высотой профиля, например, винтов винтовых насосов, а также плоских поверхностей.The proposed method and tool is designed for surface plastic deformation of the outer surfaces of rotation of the workpieces such as smooth, stepped and eccentric shafts and screws with a large pitch and a small profile height, for example, screw pumps, screws, and flat surfaces.

Обработку выполняют на токарных, карусельных, фрезерных станках и обрабатывающих центрах с сообщением вращательного движения заготовке - V_з, a инструменту - движение продольной подачи S_пр при обработке тел вращения и с сообщением возвратно-поступательного продольного и поперечного движений при обработке плоских поверхностей.The processing is performed on turning, rotary, milling machines and machining centers with the message of the rotational movement of the workpiece - V _s , and the tool - the movement of the longitudinal feed S _CR when processing bodies of revolution and with the message reciprocating longitudinal and transverse movements when processing flat surfaces.

Инструмент содержит держатель 1 в виде вилки, в подшипниках 2 которого установлена оправка 3 с деформирующим элементом, выполненным в виде пружины 4 с наружным диаметром, не кратным диаметру обкатываемой поверхности заготовки 5.The tool contains a holder 1 in the form of a fork, in the bearings 2 of which a mandrel 3 is installed with a deforming element made in the form of a spring 4 with an outer diameter that is not a multiple of the diameter of the rolling surface of the workpiece 5.

Витки деформирующей пружины 4 навиты вплотную друг к другу и изготовлены из стали круглого сечения с продольной дорожкой 6 на внутренней поверхности.The turns of the deforming spring 4 are wound close to each other and are made of round steel with a longitudinal track 6 on the inner surface.

Пружина 4 установлена на оправке 3 не непосредственно, а на упругих кольцах 7, неподвижно закрепленных в направлении витков на оправке 3. Неподвижное закрепление колец 7 на оправке 3 осуществляют известными способами, например сваркой (на фиг.2-3 не показано), пайкой, чеканкой, с помощью винтов и планок и т.п. Упругие кольца 7 изготовлены из проволоки из стали в поперечном сечении круглого, полукруглого, прямоугольного, эллипсного и т.п. профиля. Так как витки пружины 4 охватывают оправку 3 с кольцами 7 и контактируют дорожками 6 с наружной поверхностью упругих колец 7, поэтому профиль поперечного сечения упомянутой дорожки 6 витков пружины 4 подобен профилю поперечного сечения наружной поверхности упругих колец 7.The spring 4 is mounted on the mandrel 3 not directly, but on the elastic rings 7 fixedly mounted in the direction of the turns on the mandrel 3. The rings 7 are fixed on the mandrel 3 by known methods, for example by welding (not shown in FIGS. 2-3), by soldering, coinage, with screws and slats, etc. The elastic rings 7 are made of steel wire in the cross section of round, semicircular, rectangular, ellipse, etc. profile. Since the coils of the spring 4 cover the mandrel 3 with the rings 7 and are in contact with the tracks 6 with the outer surface of the elastic rings 7, therefore, the cross-sectional profile of the said track 6 of the coils of the spring 4 is similar to the cross-sectional profile of the outer surface of the elastic rings 7.

Концы деформирующей пружины 4 жестко заделаны на оправке 3 с возможностью регулирования натяга витков пружины 4 на упругих кольцах 7. Например, в конструкции инструмента, представленной на фиг.1-2, левый конец пружины свернут в кольцо 8 и зажат гайкой 9, а правый конец 10 - отогнут и защемлен винтом 11 через планку 12.The ends of the deforming spring 4 are rigidly sealed on the mandrel 3 with the possibility of adjusting the interference of the coils of the spring 4 on the elastic rings 7. For example, in the design of the tool shown in Fig.1-2, the left end of the spring is rolled into a ring 8 and clamped by a nut 9, and the right end 10 - bent and pinched by a screw 11 through the bar 12.

При общей сборке инструмента сначала винтом 11 через планку 12 закрепляют правый конец 10 пружины 4, а затем гайкой 9 - левый кольцевой конец 8, при этом предварительно закручивают пружину 4, устраняя зазоры в месте контакта дорожки 6 пружины 4 с кольцами 7 и создавая натяг пружины.In the general assembly of the tool, first, the screw 11 is fixed to the right end 10 of the spring 4 through the bar 12, and then the left ring end 8 is screwed with the nut 9, while the spring 4 is pre-screwed, eliminating the gaps in the contact area of the track 6 of the spring 4 with the rings 7 and creating a spring tension .

Инструмент крепится на суппорте в резцедержателе токарного станка (не показан), обрабатываемая заготовка, например винт 5, закрепляется в патроне 13 шпинделя 14 передней бабки 15 и поджимается центром 16 задней бабки 17.The tool is mounted on a support in a tool holder of a lathe (not shown), the workpiece, for example screw 5, is fixed in the chuck 13 of the spindle 14 of the headstock 15 and is pressed by the center 16 of the tailstock 17.

Перед включением станка инструменту дают натяг и производят настройку на нужное усилие обкатывания. Включают главное движение - вращение заготовки 5 и одновременно инструменту сообщают поступательную продольную подачу S_пр. Сущность процесса заключается в том, что при работе инструмента деформирующая пружина устанавливается с некоторым натягом относительно обрабатываемой заготовки.Before turning on the machine, the tool is tightened and adjusted to the required rolling force. Turn on the main movement - the rotation of the workpiece 5 and at the same time tell the tool a progressive longitudinal feed S _av The essence of the process lies in the fact that during the operation of the tool, the deforming spring is installed with some interference with respect to the workpiece.

Обкатывание осуществляется витками пружины 4, оказывающими давление на поверхность обрабатываемой заготовки, при этом при набегании выступов обрабатываемого винта на виток последний прогибается и прогибается упругое кольцо, расположенное под витком, а при набегании впадины винта - виток пружины и упругое кольцо восстанавливают свои размеры и положение.The rolling is carried out by the coil of spring 4, exerting pressure on the surface of the workpiece to be machined, in this case, when the protrusions of the machined screw run onto the coil, the latter bends and bends the elastic ring located under the coil, and when the screw cavity runs in, the coil of spring and the elastic ring restore their size and position.

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 упругих элементов, которыми являются деформирующая пружина 4 и упругие кольца 7, обеспечивает усилие обкатывания в любой ближней или дальней от оси инструмента точке обрабатываемой поверхности.The presence of elastic elements, which are a deforming spring 4 and elastic rings 7, provides a rolling force at any point near or far from the axis of the tool on the surface to be machined.

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.

Обкатывание предлагаемым способом применяют при изготовлении заготовок из цветных металлов и сплавов, чугуна и стали твердостью до HRC 58...64.The rolling of the proposed method is used in the manufacture of blanks from non-ferrous metals and alloys, cast iron and steel with a hardness of up to HRC 58 ... 64.

Деформирующие элементы пружину и упругие кольца 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, the spring and the elastic rings are made of steel: alloyed ШХ15, ХВГ, 9Х, 5ХНМ, carbon tool U10A, U12A, high-speed R6M5, 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 обкатывания определяется радиусом витка деформирующей пружины и диаметром проволоки, из которой изготовлена пружина.The performance of the rolling 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, реализуемый многоэлементным обкатывающим инструментом, обеспечивает необходимое усилие контакта деформирующих элементов и обрабатываемой поверхности и почти не уменьшает погрешности предшествующей обработки, являясь копирующим.The proposed method, implemented by a multi-element rolling tool, provides the necessary contact force of the deforming elements and the machined surface and almost does not reduce the error of the previous processing, being a copy.

Изменение размера поверхности при обкатывании связано со смятием микронеровностей и пластической объемной деформацией заготовки. Таким образом, точность обработанной заготовки будет зависеть от ее конструкции и конструкции обкатывающего инструмента, 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 rolling is associated with crushing 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 rolling tool, processing conditions, as well as on the accuracy of the dimensions, 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).

При этом точность размеров существенно не меняется.Moreover, the dimensional accuracy does not change significantly.

Неблагоприятные условия обработки заготовки вблизи торцов приводят к увеличенной пластической деформации заготовки на участках длиной 3...15 мм.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 обкатыванием обрабатывать исходные поверхности 7...11-го квалитетов.It is most expedient to treat the initial surfaces of the 7 ... 11th qualifications by rolling.

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.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.

Степень уменьшения шероховатости поверхности зависит от материала, рабочего усилия или натяга, подачи, исходной шероховатости, конструкции инструмента и т.д.The degree of reduction in surface roughness depends on the material, working force or interference, feed, initial roughness, tool design, etc.

Обкатывание предлагаемым способом 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.Running in 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.The 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.

Значение усилия обкатывания выбирают в зависимости от цели обработки. Оптимальное усилие Р (Н), соответствующее максимальному пределу выносливости, определяют по формулеThe value of the rolling 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

P=500+1,66D²,P = 500 + 1.66D ² ,

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

Подачу при обкатывании принимают 0,2...3 мм/об. Оптимальная продольная подача S_{пр э} на один деформирующий элемент не должна превышать 0,1...0,5 мм/об. Подачу на один оборот заготовки определяют по формулеThe feed during the run-in is 0.2 ... 3 mm / rev. The optimal longitudinal feed S _{pr 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_пр=kS_{пр э},S _CR = kS CR _e

где k - число деформирующих элементов.where k is the number of deforming elements.

Смазывающе-охлаждающей жидкостью при обкатывании служат машинное масло, смесь машинного масла с керосином (по 50%), сульфофрезол (5%-ная эмульсия).Lubricating and cooling fluid during the run-in are engine oil, a mixture of engine oil with kerosene (50% each), sulfofresol (5% emulsion).

Обработку чугуна рекомендуется вести без охлаждения.Cast iron processing is recommended without cooling.

Предлагаемый способ расширяет технологические возможности процесса поверхностного пластического деформирования, повышает параметр шероховатости обработанной поверхности, увеличивает ее твердость на значительную глубину, повышает производительность за счет увеличения пятна контакта большого количества деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью, а также снижает себестоимость процесса и сокращает расходы на изготовление.The proposed method extends the technological capabilities of the surface plastic deformation process, increases the roughness parameter of the treated surface, increases its hardness to a considerable depth, increases productivity by increasing the contact spot of a large number of deforming elements with the surface being treated, and also reduces the cost of the process and reduces manufacturing costs.

Источники информацииInformation sources

1. RU 2259910 С1, В24В 39/04. 10.09.2005.1. RU 2259910 C1, B24B 39/04. 09/10/2005.

Claims

The method of finish hardening or smooth shafts, or stepped shafts, or eccentric shafts, or screws with a small profile height, comprising communicating rotational movement of the workpiece and translational movement along the axis of the rotating workpiece to a tool, characterized in that they use a tool containing a holder with bearings in which a mandrel is installed with a deforming element in the form of a steel spring with round turns, the ends of which are rigidly sealed on the mandrel, and fixedly mounted on the mandrel in alignment of the spring coils, elastic rings on which the spring coils are installed, a longitudinal track is made on the inner surface of the latter with a profile similar to the profile of the outer surface of the elastic rings to ensure the contact of the surface of the coil track with the outer surface of the elastic rings, while adjusting the spring coil tension on the elastic rings .