PL244636B1 - Tarcza hydrauliczna do dynamicznego nagniatania elementów maszyn z regulacją intensywności zgniotu powierzchniowego - Google Patents

Abstract

Tarcza hydrauliczna do dynamicznego nagniatania elementów maszyn charakteryzuje się tym, że wyposażona jest w wirnik pompy odśrodkowej (3), który w kadłubie (2) ma umieszczone na obwodzie ruchome bijaki (4), osadzone w oprawie oraz umieszczone w gniazdach zawory kulowe mocowane do wirnika pompy odśrodkowej znajdującej się w przestrzeni pod bijakami (4), wypełnionej cieczą chłodząco - smarującą podawaną przez kanały hydrauliczne za pomocą obracającego się wirnika pompy.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest tarcza hydrauliczna do dynamicznego nagniatania elementów maszyn z regulacją intensywności zgniotu powierzchniowego, mająca zastosowanie do umacniania zgniotem powierzchni elementów maszyn narażonych na szczególnie duże obciążenia zmienne, zwłaszcza elementów wykonywanych ze stali poddanych obróbce cieplnej i cieplno-chemicznej dla uzyskania dużej wytrzymałości i twardości powierzchni. W takich sytuacjach zastosowanie znanych urządzeń do nagniatania jest mało skuteczne i nie pozwala na wykorzystanie pełnych efektów, jakie można uzyskać w wyniku umacniającej obróbki zgniotem powierzchniowym. Maksymalizacja korzystnych efektów umocnienia zgniotem ma miejsce wtedy, gdy głębokość umocnienia zgniotowego jest większa, wyższa jest średnia wielkość wywołanych zabiegiem naprężeń własnych ściskających w warstwie powierzchniowej oraz ograniczony jest wzrost temperatury elementów umacnianych w czasie wykonywania rozbiegów. Wymagania te spełnione są przy zastosowaniu urządzenia według wynalazku w odróżnieniu do znanych rozwiązań technicznych w tym zakresie, które dają jedynie ograniczone efekty.

Znane urządzenia do realizacji nagniatania dynamicznego opisuje książka W. Przybylski „Obróbka nagniataniem, technologie i oprzyrządowanie” WNT Warszawa 1979 na stronie 112-126. Ponadto na str. 395-396 opisana została tam głowica tarczowa do nagniatania dynamicznego. Urządzenia te bazują na wykorzystaniu kulek stalowych jako elementów czynnych, co stanowi ograniczenie fizykalne w dążeniu do wzrostu głębokości umocnienia. Polepszenie efektów poprzez wzrost masy kulek stalowych, a więc ich średnicy powoduje spadek lokalnych nacisków stykowych, gdyż rośnie powierzchnia styku.

Urządzenia opisane w pracy: „Umocnienie warstwy wierzchniej nagniataniem i innymi metodami obróbki powierzchniowej” z. 14 - Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 1987 rok, wykorzystują strumień sprężonego powietrza do miotania kulek padających na umacniane powierzchnie w celu dynamicznego nagniatania elementów maszyn. Nie pozwala to na osiągnięcie dużych efektów w przypadku elementów wykonanych ze stali o dużej twardości, gdyż wówczas ograniczona fizykalnie jest głębokość umocnienia. Inny przegląd rozwiązań urządzeń do nagniatania, w tym udarowego i oscylacyjnego zawiera praca A. Parol: „Badanie wpływu obróbki umacniającej i gładkościowej na własności warstwy wierzchniej”, Prace Naukowe Politechniki Lubelskiej, 173, seria Mechanika 41, Lublin 1988, strona 31-46. We wszystkich reprezentowanych urządzeniach wykorzystywane są kulki jako elementy nagniatające, co nie pozwala na uzyskanie dużej skuteczności w przypadku umacniania materiałów o dużej twardości z opisanych wcześniej powodów.

Z polskich opisów patentowych PL139508 i PL150864 znane są urządzenia do nagniatania dynamicznego powierzchni zewnętrznych przedmiotów walcowych oraz do umacniania metodą pneumokulowania przedmiotów metalowych, w których stalowe kulki wyrzucane są strumieniem sprężonego powietrza. Urządzenia oparte na sprężonym powietrzu mają fizykalne ograniczenia co do maksymalnej prędkości strumienia wyrzucanych kulek, nie umożliwiają więc uzyskania dużych energii uderzeń i uzyskania dostatecznie dużych nacisków stykowych powodujących zgniot powierzchniowy na większych głębokościach.

Ponadto z polskiego opisu patentowego PL234360 znany jest agregat do dynamicznego nagniatania elementów maszyn, który pozwala na intensywne nagniatanie elementów maszynowych z jednoczesnym efektywnym chłodzeniem strefy nagniatanej i elementów nagniatających. Skuteczne chłodzenie jest niezbędne, gdyż praca odkształcania plastycznego warstwy nagniatanej powoduje lokalnie duży wzrost temperatury, co skutkuje rekrystalizacją struktury poddanej zgniotowi i relaksacji naprężeń własnych.

Niedogodnością powyższych rozwiązań jest brak zapewnienia efektywnego chłodzenia elementów umacnianych i roboczych stref urządzeń realizujących plastyczne odkształcenie warstwy wierzchniej materiałów. Praca odkształcenia plastycznego zamienia się na ciepło, co prowadzi do silnego lokalnego wzrostu temperatury strefy umacnianej zgniotem. Wzrost temperatury powoduje niekorzystne zjawiska w postaci przemian strukturalnych umacnianych materiałów, rekrystalizację strefy odkształcanej plastycznie oraz relaksację naprężeń własnych ściskających będących głównym celem zabiegu umacniania zgniotem powierzchniowym. Wspomniane niekorzystne zjawiska ograniczają uzyskiwanie większych efektów nagniatania, mogą też prowadzić do pogorszenia właściwości użytkowych elementów maszyn, zwłaszcza własności zmęczeniowych i odporności na zużycie ścierne. Tarcza hydrauliczna do dynamicznego nagniatania elementów maszyn według wynalazku wykorzystuje odwrócony efekt uderzenia hydraulicznego do intensyfikacji procesów nagniatania. Zapewnia efektywne chłodzenie i smarowanie stref obrabianych, możliwości w zakresie regulacji parametrów w zabiegu umacniania umożliwiając optymalne dostosowanie ich do potrzeb na etapie projektowania i szeroką modyfikację tarczy w trakcie jej eksploatacji.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest opracowanie tarczy umacniającej cechującej się wyższą skutecznością umacniania zgniotem powierzchniowym.

Tarcza hydrauliczna do dynamicznego nagniatania elementów maszyn charakteryzuje się tym, że wyposażona jest w wirnik pompy odśrodkowej, który w kadłubie ma umieszczone na obwodzie ruchome bijaki, osadzone w oprawie oraz umieszczone w gniazdach zawory kulowe mocowane do wirnika pompy odśrodkowej znajdującej się w przestrzeni pod bijakami, wypełnionej cieczą chłodząco-smarującą podawaną przez kanały hydrauliczne za pomocą obracającego się wirnika pompy.

Korzystnie tarcza hydrauliczna według wynalazku ma wirnik pompy odśrodkowej zbudowany z osadzonego na wale napędowym kadłuba wirnika zamkniętego od czoła pokrywą mocowaną śrubami i zabezpieczoną uszczelką.

Korzystnie w tarczy hydraulicznej według wynalazku bijaki wyposażone są w przelotowe otwory o usytuowaniu wichrowatym względem osi bijaków i przechodzące od podstawy bijaków do ich stożkowej części uszczelniającej.

Korzystnie w tarczy hydraulicznej według wynalazku bijaki posiadają część roboczą trwale zespoloną z tulejami.

Korzystnie tarcza hydrauliczna według wynalazku wyposażona jest w kanał osiowy, z którego promieniowo rozchodzą się kanały o jednakowych objętościach.

Korzystnie tarcza hydrauliczna według wynalazku posiada harmonijkowy zasobnik cieczy chłodząco-smarującej umieszczony na wlocie do wirnika pompy odśrodkowej.

Przedmiot wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia półprzekrój wzdłużny tarczy, Fig. 2 przedstawia przekrój bijaka umacniającego, Fig. 3 przedstawia położenie bijaka i zaworu kulowego w pozycji wyjściowej, Fig. 4 przedstawia położenie bijaka i zaworu kulowego bezpośrednio po uderzeniu bijaka w obrabiany element, Fig. 5 przedstawia alternatywne zasilanie tarczy w ciecz chodząco-smarującą, natomiast Fig. 6 przedstawia alternatywną budowę bijaka o polepszonych właściwościach użytkowych, zaś Fig. 7 przedstawia tarczę hydrauliczną z promieniowymi kanałami.

Na wale napędowym 1 osadzony jest kadłub wirnika 2 zamknięty od czoła pokrywą 3 mocowaną śrubami 12 i zabezpieczoną uszczelką 11. Elementy te stanowią wirnik pompy odśrodkowej cieczy chłodząco-smarującej. Na obwodzie wirnika w kadłubie 2 rozmieszczone są ruchome bijaki 4 osadzone w oprawie 6. Pod bijakami 4 w gniazdach zaworowych 5 luźno osadzone są zawory 7. Gniazda zaworowe 5 zamknięte są tulejami 9 ustalonymi przeciwnakrętkami 8. Pod bijakami 4 znajduje się przestrzeń 10 wypełniona cieczą chłodząco-smarującą, która podawana jest przez kanały hydrauliczne 14 za pomocą obracającego się wirnika pompy. Położenie bijaków 4 w kadłubie wirnika 2 regulowane jest za pomocą opraw 6, a blokowane przeciwnakrętkami 15. Bijaki 4 wyposażone są w przelotowe otwory 4c zorientowane wichrowato w stosunku do osi bijaków 4 i przechodzące od podstawy bijaków 4 do ich stożkowej części uszczelniającej 4a.

Podczas wirowania tarczy następuje uderzenie kulistej części roboczej 4b bijaka 4 w obrabiany element, siła uderzenia wywołuje lokalny odcisk plastyczny. Uderzenie bijaka 4 powoduje jego szybkie przemieszczanie się w głąb oprawy 6, co powoduje chwilowy gwałtowny wzrost ciśnienia w przestrzeni 10, powodujący zamknięcie zaworu kulowego 7, co uniemożliwia cofanie się cieczy do wnętrza wirnika. Ciśnienie wypycha ciecz, która poprzez otwory przelotowe 4c bijaka 4 wypływa na zewnątrz chłodząc i smarując strefę obróbki zgniotem powierzchniowym i kulistą część roboczą 4b bijaka 4. W wyniku dalszego obrotu tarczy bijak 4 wychodzi z kontaktu z obrabianym elementem, natomiast siła odśrodkowa oraz sprężyna 16 przemieszczają bijak 4 na zewnętrz tarczy do pozycji wyjściowej, a wypływ cieczy zostaje zatrzymany. Ciśnienie w przestrzeni 10 spada, a kulka zaworu 7 pod działaniem siły odśrodkowej i ciśnienia wytwarzanego poprzez wirnik pompy odśrodkowej przemieszcza się w kierunku tulei 9. Odsłonięty otwór gniazda zaworowego 5 oraz odsłonięte otwory 5a umożliwiają uzupełnienie przestrzeni 10 nową porcją cieczy chłodząco-smarującej. W ten sposób dany bijak 4 jest przygotowany do ponownego uderzenia po pełnym obrocie tarczy, a do pracy wchodzi kolejny bijak 4, dla którego cały cykl pracy powtarza się.

Na Fig. 3 i Fig. 4 przedstawiono za pomocą strzałek kierunki chwilowego przepływu cieczy w obu fazach cyklu pracy bijaka 4. Chwilowy przepływ cieczy pod ciśnieniem w zakresie 0,5 do 5 MPa przez przelotowe otwory 4c w bijakach 4 powoduje powstanie momentu reakcyjnego względem osi bijaków 4, ich obrót wokół osi, dzięki czemu zapewniona jest równomierność zużycia kulistych części roboczych

4b oraz wzmożone ich chłodzenie i smarowanie. Tarcze według wynalazku i sposób jej pracy powodują, że chłodzenie i smarowanie odbywa się w miejscu i chwili, w których generowane jest ciepło odkształcenia plastycznego obrabianej warstwy wierzchniej elementów maszyn. Dzięki temu uzyskuje się dużą efektywność chłodzenia przy niewielkim zużyciu cieczy chłodząco-smarującej, natomiast nieduże zużycie cieczy umożliwia zastosowanie zasilania przedstawionego na Fig. 5.

Przed niekontrolowanym wypływem cieczy z tarczy zabezpieczają w czasie postoju sprężyny 16, a w czasie wirowania następuje dodatkowe doszczelnienie bijaków 4 siłą odśrodkową. Alternatywnie do pokrywy 3 wyposażonej w centralny otwór 3b mocowany jest elastyczny zasobnik 18 wykonany korzystnie z gumy. Zasobnik 18 wypełniony jest cieczą chłodząco-smarującą, zamknięty korkiem 19. Z zasobnika 18 zasysana jest stroną ssawną wirnika pompy odśrodkowej ciecz chłodząco-smarującą powodująca, że zasobnik 18 składa się samoczynnie w ciasną harmonijkę. Wówczas należy go uzupełnić nowym ładunkiem cieczy po wykręceniu korka 19. Przed utratą stateczności zasobnik 18 zabezpiecza tuleja 17. Napełniony zasobnik 18 wraz z tuleją 17 i tarczą powodują wzrost masowego momentu bezwładności całego układu, co wpływa na zmniejszenie oscylacji skrętnych tarczy wywoływany ich następującymi po sobie kolejnymi uderzeniami bijaków 4 w obrabiany element.

W przypadku tarczy hydraulicznej wyposażonej w promieniowe kanały 21 (Fig. 8) zespoły bijakowe mocowane są do wylotów kanałów 20, a ich działanie jest analogiczne. Efekt umocnienia zgniotem uzyskuje się poprzez pełne pokrycie obrabianej powierzchni elementarnymi odciskami od uderzeń bijaków 4 w taki sposób, aby odciski zachodziły na siebie w stopniu optymalnym, który może być określony metodą prób dla danego materiału umacnianego elementu i jego przeznaczenia. Nadmierny stopień wielokrotnych uderzeń w to samo miejsce powoduje obniżenie własności użytkowych, skutkując łuszczeniem się części umocnionej zgniotem warstwy, co powoduje wzrost zużycia ściernego towarzyszącego obróbce zgniotem powierzchniowym. Szczególnie duży wpływ na efekty obróbki zgniotem ma budowa i własności bijaków 4, zwłaszcza ich masa i ukształtowanie części roboczej. Bijaki 4 wykonane są z materiału o dużej twardości i dużej gęstości, przy czym chcąc nadać części roboczej bijaków, korzystnie kulistej wysokiej gładkości - należy wypolerować powierzchnię części roboczej bijaków. Materiał na bijaki 4 powinien charakteryzować się dużą odpornością na zużycie. W przypadku bijaków 4 stalowych korzystnie jest użycie stali stopowej wysoko manganowej tzw. stali Hadfielda poddawanej obróbce nadającej jej wysoką twardość.

Na Fig. 6 ukazano alternatywną postać bijaka 4 wykonanego z węglika wolframu w osnowie kobaltowej 4d, połączonego z wykonaną z brązu tuleją 4e przez twarde lutowanie. Duża wypadkowa średnia gęstość bijaka 4 o powyższej budowie zapewnia korzystniejsze efekty uderzeń bijaka. Część robocza wykonana z węglika wolframu zapewnia wysoką twardość i odporność na zużycie ścierne, zaś tuleja 4e wykonana z brązu ułatwia wykonanie wichrowatych otworów 4c oraz zapewnia korzystne własności tribologiczne we współpracy ze stalową oprawą bijaków 4.

Konstrukcja tarczy umacniającej według wynalazku stwarza szczególnie duże możliwości regulacji efektu umacniania zarówno na etapie projektowania oraz w toku eksploatacji tarczy.

Na etapie projektowania regulację efektów osiąga się poprzez dobór optymalnej średnicy tarczy, jej prędkości obrotowej, dobór liczby bijaków i ich wielkości (masy), promieni części roboczej, zakresu regulacji położenia bijaków w tarczy, zakresu regulacji zaworu kulowego, postaci łopatek wirnika oraz ewentualnie przez zastosowanie dodatkowego ciśnienia zasilania w ciecz chłodząco-smarującą. Masę bijaków można kształtować przez dobór średnicy bijaków D, długości L i rodzaj materiału (Fig. 2).

W toku eksploatacji tarczy umacniającej według wynalazku można modyfikować własności tarczy przez dobór prędkości wirowania, regulację zaworów kulowych oraz zmianę położenia bijaków w tarczy. Bardzo istotny jest dobór dosunięcia tarczy do obrabianej powierzchni, rodzaj i prędkość ruchów posuwowych oraz krotność przejść obróbczych. Parametry te należy dobrać w zależności od materiału obrabianych elementów, ich przeznaczenia i oczekiwanych efektów.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest wysoka efektywność wynikająca ze sposobu działania. Duży opór nieściśliwej cieczy chłodząco-smarującej stawiany bijakom po uderzeniu w obrabianą powierzchnię powoduje uzyskiwanie dużego wzrostu siły oddziaływania wskutek odwróconego efektu uderzenia hydraulicznego. Wydatnemu wydłużeniu ulega również czas działania siły nagniatającej bijaków. Wzrost czasu oddziaływania siły ma szczególne praktyczne znaczenie, gdyż wtedy proces odkształcenia plastycznego się wydłuża, co zbliża go do odkształcenia quasistatycznego. Metale techniczne mają zdecydowanie niższą wytrzymałość i wyższą plastyczność przy zmniejszonej prędkości odkształcenia w porównaniu z tzw. wytrzymałością dynamiczną. W opisywanej sytuacji ułatwione jest uzyskiwanie większych deformacji plastycznych na większej głębokości zalegania. Większa głębokość zgniotu powierzchniowego prowadzi do osiągnięcia naprężeń własnych ściskających zalegających na większej głębokości. Powoduje to wzrost właściwości zmęczeniowych elementów maszyn. Jednocześnie wzrost twardości warstwy umocnionej zgniotem powoduje wzrost odporności na zużycie ścierne. Dodatkowymi efektami obróbki są eliminacja rys po obróbce skrawaniem oraz nadanie powierzchni korzystnego reliefu. Mikroodciski w warstwie wierzchniej tworzą mikrokieszenie smarne polepszające efekt smarowania i służą lepszej przyczepności środków smarnych, zwłaszcza smarów plastycznych do powierzchni. W przypadku powierzchni szlifowanych uzyskuje się wykruszanie twardych ziaren zainkludowanych w procesie szlifowania ze ściernic, co zmniejsza oddziaływanie ścierne powierzchni umacnianych zgniotem. Efektywne chłodzenie pozwala na pełne wykorzystanie korzystnych efektów obróbki zgniotowej. Zawarty w cieczy chodząco-smarującej olej smarowy zmniejsza zużycie współpracujących elementów oraz służy uzyskaniu powierzchni obrabianej o korzystniejszej mikrogładkości elementarnych odcisków plastycznych.

Tarcza obróbcza według wynalazku jest predysponowana szczególnie dla elementów wykonanych ze stopów żelaza o zwiększonej twardości, w tym stali i staliwa po hartowaniu, nawęglaniu, węgloazotowaniu i naborowaniu. Obróbce poddawane mogą być powierzchnie obrotowe i płaskie takich elementów jak wały, osie, sworznie tłokowe, obrotowe noże skrawające kombajnów, zawory, prowadnice i powierzchnie osadcze. Elementy obrabiane mogą być z wykorzystaniem np. tokarki nadającej ruch obrotowy obrabianemu elementowi. Tarcza obróbcza oraz jej napęd mocowana może być do suportu tokarki z wykorzystaniem ruchów posuwowych suportu. Obróbce zgniotem powierzchniowym tarczą hydrauliczną według wynalazku zaleca się poddawać w szczególności strefy, karbów geometrycznych w postaci odsadzeń, rowków i innych miejsc spiętrzania naprężeń.

Celowym jest stosowanie tarczy do obróbki połączeń spawanych i zgrzewanych oraz stref karbów strukturalnych powstających np. przy hartowaniu powierzchniowym czopów łożyskowych wałów napędowych, zębów kół zębatych i łańcuchowych, zwłaszcza większych rozmiarów. Wielostronne, dobre efekty uzyskiwane mogą być przy niewielkim zużyciu energii i materiałów oraz małym nakładem robocizny przy zachowaniu warunków pełnej ochrony środowiska naturalnego. Głównym uzyskiwanym efektem obróbki tarczą według wynalazku jest wydatny wzrost trwałości elementów maszyn narażonych na obciążenia zmienne i zużycie ścierne. Zwiększa to poziom bezpieczeństwa użytkowania maszyn i urządzeń oraz zmniejsza koszty eksploatacyjne.

Claims (6)

1. Tarcza hydrauliczna do dynamicznego nagniatania elementów maszyn, znamienna tym, że wyposażona jest w wirnik pompy odśrodkowej, który w kadłubie (2) ma umieszczone na obwodzie ruchome bijaki (4), osadzone w oprawie (6) oraz umieszczone w gniazdach (5) zawory kulowe (7) mocowane do wirnika pompy odśrodkowej znajdującej się w przestrzeni (10) pod bijakami (4), wypełnionej cieczą chłodząco-smarującą podawaną przez kanały hydrauliczne (14) za pomocą obracającego się wirnika pompy.

2. Tarcza hydrauliczna według zastrz. 1, znamienna tym, że w wirnik pompy odśrodkowej (3) zbudowany jest z osadzonego na wale napędowym (1) kadłuba wirnika (2) zamkniętego od czoła pokrywą (3) mocowaną śrubami (12) i zabezpieczoną uszczelką (11).

3. Tarcza hydrauliczna według zastrz. 1, znamienna tym, że bijaki (4) wyposażone są w przelotowe otwory (4c) o usytuowaniu wichrowatym względem osi bijaków (4) i przechodzące od podstawy bijaków (4) do ich stożkowej części uszczelniającej (4a).

4. Tarcza hydrauliczna według zastrz. 1, znamienna tym, że bijaki (4) posiadają część roboczą (4d) trwale zespoloną z tulejami (4e).

5. Tarcza hydrauliczna według zastrz. 1, znamienna tym, że wyposażona jest w kanał osiowy, z którego promieniowo rozchodzą się kanały (20) i (21) o jednakowych objętościach.

6. Tarcza hydrauliczna według zastrzeżenia 1, znamienna tym, że posiada harmonijkowy zasobnik (18) cieczy chłodząco-smarującej umieszczony na wlocie do wirnika pompy odśrodkowej (3).