Разработка головок для формообразования и наклепа цилиндрических поверхностей мелкоразмерных инструментов из мартенситно-стареющих сталей

Важнейшая задача инструментальной науки — обеспечение выпуска функционально полноценного и технологичного инструмента, удовлетворяющего основным запросам современного производства.

В рамках этой общей задачи находится проблема использования для режущих инструментов современных инструментальных материалов, со всем шлейфом сопутствующих проблем, в сочетании с металлосберегающим характером новых технологий, нуждающихся в создании соответствующих процессов, инструментов и оборудования для их осуществления.

На сегодняшний день доля быстрорежущей стали (типа Р6М5) в производстве мелкоразмерного инструмента составляет более 80%. Но необходимо учитывать, что традиционному производству режущего инструмента — сверл, метчиков, разверток и т. д. -диапазона диаметров 1−6 мм и менее свойственны органические недостатки, возникающие в связи с использованием обычных быстрорежущих сталей.

Быстрорежущая сталь применительно к использованию мелкоразмерного массового инструмента характеризуется следующими особенностями:

1. Значительными термическими деформациями изделий, возникающими при высокотемпературной термообработке тонких изделий (закалке 1200−1250°С), а отсюда проявление неисправимого брака по этой причине, доходящего по количеству до 40%;

2.Наличием крупных угловатых карбидов в режущих кромках готового инструмента, приводящих к их выкрашиванию при резании и досрочному наступлению износа;

3.Низкой пластичностью стали в холодном состоянии, особенно при получении мелкоразмерного прутка диаметра 1−6 мм и менее.

Одним из возможных решений является применение принципиально нового класса материалов — безуглеродистых мартенситно-стареющих сталей (МСС). Главным их отличием является [1,14,22,33,66]: низкотемпературная термообработка (старение при (= 500−550°С), что исключает температурные деформации, в результате чего достигается твердость 1ШСэ 65−68 при прочности <�Тв=300−420Мпа.

МСС успешно применяются в разных отраслях машиностроения авиационной, судостроительной, пищевой, химической, медицинской и д.р. Эффективность МСС в перечисленных выше областях в значительной степени объясняется необходимостью обработки труднообрабатываемых сталей и химически активных титановых сплавов.

Но необходимым условием получения высокой твердости инструмента из МСС является проведение предварительной пластической деформации с целью создания наклепанного слоя на заготовке непосредственно перед старением. Таких технологий, осуществляемых инструментальными средствами в условиях машиностроения и инструментального производства практически не существует.

Известны методы обработки цилиндрических поверхностей холодной деформацией — прокатка и волочение, осуществляемые на специальном оборудовании на металлургических предприятиях. Но должного результата они не дают, т.к., во-первых, организационно разрывают две стадии изготовления на металлургическую и инструментальную, во-вторых, исключают получение ступенчатых заготовок и, в-третьих, создаются трудности с дальнейшим рихтованием проволоки. В данном случае, нужен процесс пластической обработки мелкоразмерных заготовок значительной номенклатуры по диаметру и длине, который осуществляется на станках общетехнологического назначения, например, токарной группы, в условиях инструментального производства.

Анализ литературы, патентных материалов, промышленного опыта показал, что процесс пластической деформации на общетехнологическом металлорежущем оборудовании реализуется уже давно. Результатом служат известные процессы формообразования рифлений, резьб, шлицев, зубчатых и других профилей на металлорежущих станках {8,9,12,18,49,51 ?.

Процессы достаточно хорошо изучены и эффективно применяются в дромышленности, о чем свидетельствует широкая гамма выпускаемого накатного инструмента: Германия — Wilhelm.

Fette, Girstav Wagner, PEE-WE E MachinenФранции — Escolie г;

Англия — A.C. Wie km an Limited, Acton Bolt LimitedШвейцарии.

Ernst Grob, M a a g ChanrederСША — La n die Mae hin® Company,.

Reed Rolled Thread Ше Company и др.

В нашей стране разработкой и эксплуатацией накатных инструментов занимаются многие организации^ предприятия и институты различных отраслей промышленности, например ВНИИинструмент, МГТУ «СТАНКИН», завод «Фрезер», МИЗ, ЗИЛ, ВАЗ и др., широко используются накатные головки типа BHFH, FYP, ЗИЛ.

Учитывая сказанное, реальным является использование положений сформировавшегося в последнее время направления в металлообработке и получившее по предложению проф. Султанова Т. А. наименование «Кииетоиластика», заключающегося в использовании инструментов для формообразования пластической деформацией на металлорежущих станках практически всех видов поверхностей (зубчатых, винтовых, плоских, шлицевых, кольцевых, цилиндрических и д.р.). Но изучалось в основном формообразование сложных поверхностей и мало внимания уделялось обработке цилиндра, так как это рассматривалось лишькак этан подготовки определенного диаметра заготовки под накатку резьбы или другого профиля, а также как стадия финишной обработки поверхности [8,39,62].

Цель работы — разработка головок для формообразования цилиндрических поверхностей и создания наклепанного слоя у заготовок из мартенситно-стареющих сталей, минимизирующих погрешности формы мелкоразмерных инструментов.

Общая методика. Достижение поставленной цели осуществлялось решением задач с применением экспериментальных и теоретических исследований.

Научная новизна заключается в: -системе двухроликовых головок аксиального типа без поддерживающих элементов для перекатки цилиндра в цилиндр предельно малого размера- -экспериментальном обосновании аксиальных головок с разновеликими межосевыми углами- -закономерностях удлинения цилиндрических заготовок из МСС и ряда других материалов при перекатке цилиндра в цилиндр аксиальными головками на станках токарной группы- -модели мощности процесса перекатки головками в виде уравнения.

•з регрессии, учитывающего пластические свойства материала, межосевой угол инструментов, припуск и скорость перекатки, необходимые при проектировании инструментов- -закономерностях распределения наклепа и изменения микротвердости у мартенситно-стареющих и других инструментальных сталей в результате перекатки, позволяющие обосновать выбор материала для соответствующих инструментов.

Практическая ценность состоит в рекомендациях по созданию и использованию аксиальных головок различных видов для формообразования мелкоразмерных цилиндров и создания у них наклепанного слоя.

Разработаны и запатентованы оригинальные конструкции инструментов для перекатки. Результаты исследований используются в учебном процессе и при проектировании инструментов. Материалы диссертации направлены ряду заводов для использования.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции «Совершенствование процессов финитной обработки в машинои приборостроении, экология и защита окружающей среды» (г. Минск, 1995 г.), юбилейной международной научно-технической конференции «Вопросы совершенствования технологических процессов механической обработки и сборки изделий машиностроения» (г. Тула, 1996 г.), международной юбилейной научно-технической конференции «Прогрессивные методы проектирования технологических процессов, металлорежущих станков и инструментов» (г. Тула, 1997 г.) и заседаниях кафедры «Инструментальная техника и компьютерное моделирование» МГТУ «СТАНКИН» .

Публикации. По материалам диссертации опубликованы тезисы докладов на упомянутых выше научно-технических конференциях, а также получены три патента т. е. всего 6 публикаций.

Запатентованы: 7.

1.Планетарная головка для перекатки длинномерных цилиндрических прутков. Патент Р. Ф, № 2 100 125 от 27 декабря 1997 г;

2. Способ формообразования цилиндрических поверхностей пластической деформацией и инструмент для его осуществления. Патент Р. Ф. № 2 102 176 от 20 января 1998 г;

3.Аксиальная головка для перекатки мелкоразмерных цилиндров, П оложительное решение № 97 104 444/02(4 522) от 19 марта.

1997 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и общих выводов, изложена на 155 страницах машинописного текста и содержит 64 рисунков, 15 таблицы, а также список литературы, включающий 66 наименований.

147 ВЫВОДЫ:

1. Анализ научно-технической литературы, промышленного опыта, патентных материалов свидетельствует:

• мартенситно-стареющие стали во многом эффективнее быстрорежущих;

• применение мартенситно-стареющих сталей для мелкоразмерных стержневых инструментов (сверл, разверток, метчиков и др.) позволяет исключить типичный неисправимый термический дефект быстрорежущих инструментов — искривление заготовки при термообработке ;

• необходимым условием получения высококачественного режущего инструмента из мартенситно-стареющих сталей является предшествующая ее термообработке холодная пластическая деформация с целью создания наклепа;

• инструменты и реализуемые с их помощью способы формообразования и наклепа цилиндрических изделий в условиях инструментального производства практически отсутствует;

2.Проведенные исследования могут иметь применение в машиностроении для эффективного формообразования цилиндрических поверхностей как материалосберегающая технология альтернативная резанию.

3.Экспериментально установлено, что при аксиальной перекатке цилиндра в цилиндр головками, в отличие от других процессов аксиального накатывания различных профилей на цилиндрических стержнях, удлинение составляет порядка 20−80% и более в зависимости от материала и диаметра, против фигурирующих в литературе (например для аксиального резьбонакатывания) 5−6%. Причину этого неизвестного ранее факта возможно трактовать как отсутствие радиального течения металла при перекатке цилиндров.

4.Удлинение по мартенситно-стареющим сталям связано с физико-механическими свойствами материала и составляет 10−50% для диапазона диаметров 4−5 мм.

5. Показана и обоснована концепция двухроликовых инструментов для перекатки мелкоразмерных цилиндров с элиптической образующей калибрующей части роликов или с образующей аппроксимированной окружностью. Такое решение освобождает от необходимости оснащать инструмент различными поддерживающими устройствами.

6. Свойственные перекатке цилиндров величины удлинения позволили обосновать идею создания инструментов с разновеликими межосевыми углами с целью форсирования удлинения и как следствие — увеличение диаметральных припусков. Выдвинутое положение экспериментально доказано.

7.Показано, что перекатку длинномерных прутков целесообразно осуществлять планетарными инструментами с приводными роликами, что исключает или снижает вероятность скручивания прутка.

8.Полученная модель мощности процесса перекатки в виде уравнения регрессии (4.1), содержащее в качестве факторов: пластичность, припуск под перекатку, скорость и межосевой угол, позволяет определять значения мощности расчетными средствами.

9. Установлены, на основании изучения микрошлифов мартенситно-стареющих сталей Н7М14К15Х2Т1, 03Х11Н10М2Т2 и по другим материалам, зоны распределения микротвердости по сечению, что позволяет ориентироваться при изготовлении инструмента.

10.Практическое использование результатов исследования нашло свое выражение в следующем:

10.1.Разработана планетарная головка для перекатки длинномерных цилиндрических прутков. Патент Р. Ф, № 2 100 125 от 27 декабря 1997 г;

10.2.Предложен способ формообразования цилиндрических поверхностей пластической деформацией и инструмент для его осуществления. Патент Р. Ф. № 2 102 176 от 20 января 1998 г;

10.3.Разработана аксиальная головка для перекатки мелкоразмерных цилиндров. Положительное решение № 97 104 444/02(4 522) от 19 марта 1997 г.

10.4.Поставлена лабораторная работа для студентов по исследованию перекатки цилиндрических поверхностей;

10.5.Направлены предложения организациям по практическому использованию новых разработок.

Заключение

.

1 Установлены, на основании изучения микрошлифов мартенситно-стареющих сталей Н7М14К15Х2Т1, 03Х11Н10М2Т2 и по другим материалам, зоны распределения микротвердости по сечению.

2. На основании микрошлифов сделан вывод, что из заготовки диаметром 3−4мм, перекатанной со степенями обжатия 51%ч можно изготавливать полнопрофильный режущий инструмент, имещий режущие кромки по всему сечению, такой как сверла или концевые фрезы. А из заготовки диаметром 6−10мм со степенью обжатия 3040% и глубиной проникновения деформации 30% можно изготовить инструмент, который имеет режущие кромки, расположенные на периферии (например, развертка или метчик).

6. Практическое использование результатов исследований у.

Практическое использование результатов исследований нашло свое выражение в разработке 3-х новых моделей головок для перекатки мелкоразмерных цилиндров из мартенситно-стареющих сталей, а также в учебном процессе. Можно надеяться, что разработанные головки при условии возрождения промышленности— будут использоваться не только инструментальной промышленностью, для обработки конструкционных материалов при материалосберегающем формообразовании цилиндрических поверхностей, как самых распространенных в машиностроении.

Ниже описываются конструкции головок. В описании сохраняется текст патентных материалов.

6.1. Планетарная головка для перекатки длинномерных цилиндрических прутков.

Изобретение относится к инструментам для холодной обработки металлов методом пластической деформации на металлорежущих станках, в частности^станках токарной группы.

Наиболее близким по технической сущности инструментом является обкатная головка с неприводными роликами [8}* С ее помощью формообразование цилиндрической поверхности происходит в два этапа: при прямом ходе — самозатягивание за счет соответствующего угла перекрещивания, и при обратном ходе — за счет изменения положения роликов на противоположный угол перекрещивания.

Недостатком данного технического решения, применительно к обработке длинномерных изделий (прутков), является, во-первых, явления закручивание, вследствие использования в конструкции неприводных роликов, во-вторых, отсутствие у инструмента механизма предварительного плавного регулирования угла перекрещивания осей.

Целью изобретения является, создание инструмента с приводными роликами и регулируемым межосевым углом, обеспечивающего перекатку прутка на меньший диаметр на металлорежущих станках, исключая закручивание его при перекатке. При этом имеется возможность регулировочного изменения параметров перекрещивания осей роликов и величины обрабатываемого диаметра.

Поставленная цель достигается тем, что зона пластической деформации и привод заготовки совмещены в одном месте, что исключает закручивание. При этом величина осевого перемещения прутка (подача) и диаметр обработки изменяются благодаря возможности изменения угла перекрещивания осей и радиального перемещения роликов.

На (рис. 6.1) представлена схема инструмента, где в корпусе 1, зафиксированном на передней бабке токарного станка, радиально располагаются три или две цилиндрические вставки 2, имеющие возможность поворачиваться вокруг своей оси при регулировке угла перекрещивания пальцами 3, сидящими в регулировочном диске 4. Регулировочный диск 4 сидит на бурте корпуса 1 и может на нем поворачиваться и фиксироваться в целях регулировки. Пальцы 3, запрессованные в диск 4, проходя сквозь дугообразные пазы корпуса 1, входят в продольные пазы вставок 2. Регулировочный поворот диска 4 приводит через пальцы 3 к некоторому синхронному повороту вокруг своих осей вставок 2, меняя таким образом угол перекрещивания осей. Радиальное положение вставок 2 и, вследствие того, обрабатываемый диаметр регулируется двумя кольцами 5, взаимодействующими со вставкой своими коническими поверхностями. Вставки 2 подтягиваются к кольцам 5 винтами 6.

Соосно с цилиндрической вставкой 2 расположен блок конических зубчатых колес 7 и 8, свободно вращающихся на вставке 2 и находящихся, с одной стороны, через колесо 7 в зацеплении с зубчатым коническим венцом диска 9, устанавливаемым на шпинделе станка, с другой стороны, через колесо 8, находящимся в зацеплении с зубчатым колесом 10, сидящем на общей с роликом 11 оси 12. Все эти шестерни и венцы 7, 8, 9, 10 образуют систему зубчатых колес, обеспечивающих кинематическую связь вращения роликов 11 от шпинделя станка.

Головка работает следующим образом. Будучи установленной на шпинделе токарного станка она имеет зафиксированный от вращения внешний корпус 1, благодаря чему осуществляется привод вращательного движения роликов, расположенных во вставках 2 на осях 12 через систему зубчатых конических колес 7, 8, 10, приводимых в движение прикрепленным к шпинделю диском и имеющем на торце зу бчатый конический венец.

Пруток вручную подается в просвет между роликами 11 и благодаря наличию перекрещивающихся осей роликов 11 и заготовки возникает движение осевой подачи. Величина осевой подачи & (мм/об) варьируется путем изменения угла перекрещивания, а параметры связаны между собой следующей зависимостью:

8-я & кг (6 1) где: с1-диаметр обработки, мм;

Е-межоеевой уголк-коэффициент проскальзывания зависит от материала, СОЖ, режимов обработки и дрйк=0.7−0,8.

Перекатанный на другой диаметр пруток проходит через шпиндель и выходит с другой стороны передней бабки. Перекатка может осуществляться и & несколько переходов за счет соответствующего сведения роликов в головке.

ЗдфЦКСИРОбйННЫИ^ корпус ГОГОЛИ.

Шпиндель.

Рис.бМ. ПланеТарная накатная головка для перекатки длинномерных прутков. г. 2.Способ формообразования цилиндрических поверхностен нлаетичеекой деформацией и инструмент для его осуществления.

Изобретение относится к способам холодной обработки металлов пластической деформацией с помощью головок на металлорежущих станках, в частноети^етанках токарной группы.

Наиболее близким по технической сущности является способ и инструмент бесстружечного формообразования цилиндрической поверхности деталей, заключающийся в том, что формообразование поверхности происходит в два этапа: при прямом и обратном ходе, причем йрй прямом ходе прокатывает поверхность на заданную длину с уменьшением диаметра заготовки и инструмент подается самозатягиванием, а по достижении заданной длины оси роликов разворачиваются на противоположный угол перекрещивания, и осуществляется обратный ход и окончательный обкат поверхности|8].

Недостатком данного технического решения является отсутствие средств принудительной осевой растяжки детали в зоне деформации, что в целом уменьшает осевое течение металла и не позволяет увеличить припуски при перекатке цилиндров.

Целью изобретения является создание способа и инструмента для формообразования цилиндрических поверхностей пластической деформацией, при котором увеличение производительности формообразования достигается за счет увеличения припусков по диаметру путем интенсификации осевого течения металла.

Поставленная цель достигается тем, что ролики накатной головки установлены под разными углами перекрещивания с осью заготовки. Благодаря этому каждый из роликов, стремясь двигаться со своей осевой подачей определяемой по формуле :

Эт-Я Л tgEi- (6.2) где: й-диаметр заготовкиЕьмежоеевой угол. соответствующей своему углу перекрещивания 2 г, стремится растянуть заготовку в зоне формообразования. Это приводит к интенсификации осевого течения металла.

На рис. 6.2 и 6.3 пред став лены схемы инструмента, где между корпусом 1 и крышкой 2, установлены три ролика N1, N2, N3, оси 4 которых перекрещиваются с осью заготовки 5 под различными углами: м<�га<1чэ, — (6.3).

Порядок работы головки следующий. Головку устанавливают, например, в задней бабке токарного станка, а накатываемую заготовку в шпинделе. Головка подается вдоль оси на вращающуюся заготовку 5 и, захватив ее заборной частью роликов, перемещается вдоль оси заготовки таким образом, что величина осевого перемещения головки является, усредненной теоретических величин перемещения каждого из роликов, нивелируемых проскальзыванием роликов по поверхности обрабатываемой детали.

6.3. Аксиальная головка для перекатки мелкоразмерных прутков^.

Изобретение относится к станкостроению, в частности, к инструментам для кинетоплаетичеекого формообразования типовых поверхностей деталей машин на металлорежущих станках общетехнологического назначения.

Известны различные виды головок для формообразования пластической деформацией типовых поверхностей деталей машин на металлорежущих станках общетехнологического назначения, в том числе на станках токарной группы любого уровня автоматизации. В поверхностей с форсированным удлинением.

Рис.е.2. Головка для перекатки цилиндрически поверхностей с форсированным удлинением.

В частности, известны аксиальные резьбонакатные головки модели ВНГН [47], оснащенные трехштучным комплектом цилиндрических резьбовых роликов для формообразования винтовой поверхности^или фирмы «FETTE», модель FO [47], оснащенных для минимизации обрабатываемого диаметра двухштучным комплектом цилиндрических резьбовых роликов, но с направляющей втулкой для накатывания именно мелкоразмерных резьб.

Для перекатки цилиндра в цилиндр известен способ и инструмент реверсивного формообразования [8] среднеразмерных, по тексту-порядка диаметра 10 — 12 мм, цилиндров. В этом варианте используется трехштучный самоцентрирующий комплект цилиндрических роликов, а контакт цилиндрических калибрующих поверхностей роликов и цилиндра заготовки является точечным.

Общим недостатком известных технических решений применительно к формообразованию мелкоразмерных цилиндрических поверхностей является невозможность обработки малых, в том числе предельно малых, менее 1 мм, диаметров с одной стороны из-за невозможности близкого сведения трехштучного комплекта самоцентрирующих роликов, с другой, из-за необходимости в дополнительных поддерживающих заготовку устройствах в головках с двухштучными комплектами роликов [47] со свойственными этим устройствам недостатками .

Целью изобретения является расширение технологических возможностей, улучшение качества изделия и упрощение инструментов.

Поставленная цель достигается тем, что аксиальная головка для перекатки цилиндра в цилиндр, содержащая наклонно установленные ролики, эксцентричные оси, малые и центральные зубчатые колеса, и любой вариант раскрывающего механизма или без него, оснащается двумя роликами, имеющими калибрующую часть в виде поверхности вращения, образующая которой является эллипсом (рис. 6,4), уравнение эллипса для калибрующей части ролика:

X2 8т21л.

— = 1 (6.4) г2 Ь2 где:

X и У-текущие координаты;

2л-межосевой уголг-радиус обрабатываемого цилиндра.

Аппроксимирующая эллипс окружность радиуса К (рис. 6.5) определяется по формуле:

Ь2 + Ъ2.

К = —(6.5).

4Ь где:

Ь-половина ширины калибрующей части роликовЬ-стрела прогиба дуги определяемая из формулы:

11 = г — (г2-Ь2*8т21л)½ (6.6).

Такое решение, с одной стороны позволяет схватывать заготовку за счет вогнутой формы поверхности роликов, обеспечивая линейчатый, а не точечный контакт, и не давая тонкому нежесткому цилиндру заготовки смещаться с центра вследствие деформации, исключая, таким образом, необходимость в поддерживающих устройствах, с другой стороны позволяет двухштучный комплект роликов сводить к центру, предельно близко обеспечивая возможность обработки весьма малых, близких к нулю, диаметров.

Указанные отличительные признаки с нашей точки зрения являются существенными, т.к. обеспечивают создание новых видов аксиальных головок для перекатки предельно мелкоразмерных гладких цилиндров и, кроме того, эти признаки могут быть использованы при создании инструментов для формообразования других типовых поверхностей, например, резьбовых.

На рис. 6.6 представлена схема головки. Корпус 1 оснащен любым механизмом раскрытия роликов. Крышки 2 и 3 крепятся к корпусу, и между ними устанавливаются два ролика 4 на эксцентриковых осях 5. Зубчатые колеса или зубчатые венцы 6 установлены на эксцентриковых осях 5 и центральное зубчатое колесо 7, находящееся с ними в зацеплении".

На рис. 6.7 показана установка роликов 4 и заготовки 8, обеспечивающих фиксацию последней в центре.

Головка работает следующим образом. В начальной стадии процесса обработки головка за счет осевой подачи захватывается вращающейся заготовкой 8 и перемещается вдоль ее оси. Две вогнутых калибрующих части двухштучного комплекта роликов 4 при этом охватывают обрабатываемый цилиндр и не дают ему возможность изогнутся и выйти из зоны обработки. По достижении необходимой длинны. головка либо за счет срабатывания любого механизма раскрытия раскрывается и отводится без обратного вращения, например^ как у модели ВНГН-3 [47], или как у модели НГН [47], либо, не раскрываясь, отводится обратным вращением, как плашка [47].

Рис. 6.6. Аксиальная головка для перекатки мелкоразмерных цилиндров. заготовки, обеспечивающих фиксацию последней в центре.