КРЕПЕЖНЫХ ОТВЕРСТИЙ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к устройству и инструменту для холодного расширения крепежных отверстий при помощи пластической деформации. Оно может найти применение при обработке отверстий в конструкционных элементах, подверженных впоследствии циклической внешней нагрузке, которые изготовлены из упруго- пластических материалов, а также из анизотропных композит алюминия с карбоновыми нитями.

ОБЗОР ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Из патента US 4665732 известно устройство для холодного расширения отверстий при помощи инструмента, включающего продольно разрезанный полый дорн, в осевое отверстие которого введен цилиндрический штифт. Устройство включает в себя гидравлический цилиндр, в котором размещен первый поршень с поршневым стержнем, к концу которого прикреплен продольно разрезанный полый дорн инструмента. К гидравлическому цилиндру прикреплена неподвижная опора, контактирующая с обрабатываемой заготовкой во время извлечения полого дорна через отверстие. В осевом отверстии, проделанном в первом поршне и в его поршневом стержне, помещен второй поршневой стержень, конец которого связан с цилиндрическим штифтом, при помощи которого дорн становится жестким. Второй поршень, связанный с вторым поршневым стержнем, размещен во втором цилиндре, который является соосным с первым и связан с ним. Устройство снабжено силовой гидравлической системой, приводимой в действие и управляемой сжатым воздухом.

При обработке крепежных отверстий с помощью данного устройства и инструмента степень холодного расширения отверстия зависит единственно и только от диаметральных размеров дорна и штифта, а также от диаметра заранее просверленного отверстия. Чтобы обеспечить заданную с соответствующим допуском степень холодного расширения, необходимо посредством калибров осуществлять контроль по геометрическому критерию как в отношении диаметра заранее просверленного отверстия, так и в отношении рабочей части дорна.

Кроме того, обработка осуществляется последовательно, расширение проводится слой за слоем по оси отверстия, причем проходит деформационная волна, вызывающая в каждой точке поверхности отверстия знакопеременные напряжения, абсолютная величина которых значительно превышает предел текучести материала. Из-за наличия опоры, поставленной против движения жесткого дорна, через обрабатываемую заготовку проходит осевой силовой поток, в результате чего получается несимметрический осевой градиент генерированной зоны с остаточными напряжениями сжатия вокруг отверстия. На входе отверстия получаются минимальные по абсолютной величине остаточные напряжения. Кроме этого, на входе и на выходе, вокруг кромки отверстия, получаются значительные осевые деформации, известные как "surface upset".

В результате всего этого, при применении известного устройства и инструмента для холодного расширения, по направлению к оси обрабатываемого отверстия получается неоднородная и несимметрическая зона с остаточными напряжениями сжатия, что является предпосылкой для развития усталостных трещин, начинающих свое развитие с зоны на входе с минимальными по абсолютной величине остаточными напряжениями. Осевые деформации по кромкам отверстия являются предпосылкой для изнашивания и развития микротрещин вследствие вредного„фретинг эффекта". В результате циклически или динамически нагруженные конструкционные элементы будут иметь меньшую долговечность на усталость, респективно меньшую надежность. В случае статической нагрузки устойчивость соответственного элемента к появлению трещин будет уменьшена.

Из патента BG 66052 известен инструмент для холодного расширения отверстий, включающий дорн с конусной рабочей частью, причем между дорном и обрабатываемым отверстием размещена продольно разрезанная на три, четыре или больше частей цилиндрическая втулка с конусным отверстием в одном конце, угол а конуса которого равен углу рабочей конусной части дорна. Продольно разрезанная цилиндрическая втулка имеет неподвижно установленную в другом своем конце неразрезанную часть, которая представляет собой 1/5 общей длины втулки. В результате относительного осевого перемещения между дорном и втулкой ее разрезанная часть увеличивает свои радиальные размеры, расширяя таким образом обрабатываемое отверстие за счет того, что конусная рабочая часть дорна входит в конусное отверстие втулки.

При обработке крепежных отверстий при помощи данного инструмента получается „кромочный" контакт между конусной поверхностью дорна и конусными поверхностями рабочих частей втулки при их относительном движении по направлению к их общей оси, так как круговые поперечные сечения дорна, которые имеют больший радиус, вступают в контакт с поперечными сечениями рабочих частей втулки, имеющих меньший радиус. Таким образом, в процессе обработки отверстия конусная поверхность дорна контактирует с продольно ориентированными кромками рабочих частей разрезанной втулки. В результате передаточная функция между осевым перемещением дорна и радиальным перемещением рабочих частей разрезанной втулки нелинейная, вследствие чего практически нельзя управлять реализацией точно заданной степени холодного расширения обрабатываемого отверстия. В то же самое время этот„кромочный" контакт приводит к лишнему увеличению применяемой к дорну осевой силы, необходимой для осуществления обработки отверстия. Кроме этого, параметры „кромочного" контакта изменяются в каждый момент движения дорна, вследствие чего приводное устройство подвержено нежелательным пульсациям. В начальный момент процесса холодного расширения, когда рабочие части втулки позиционированы в отверстии, подлежащем обработке, между каждыми двумя рабочими частями существует зазор, который равен толщине инструмента, с помощью которого разрезана втулка. В процессе холодного расширения этот зазор увеличивается. В результате в поперечном сечении отверстия зона с остаточными напряжениями сжатия негомогенна, несмотря на то, что у нее есть полюс симметрии. Кроме того, требование, чтобы внешняя цилиндрическая поверхность каждой рабочей части имела радиус больше, чем тот у подлежащего расширению, заранее просверленного отверстия, создает технологические затруднения при производстве втулки из-за того, что она не разрезана полностью.

ТЕХНИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения - создать устройство и инструмент для холодного расширения крепежных отверстий, которые обеспечивают возможность для реализации различных степеней холодного расширения при помощи одного инструмента, который характеризуется улучшенной технологичностью, причем для осуществления процесса необходима меньшая осевая сила, а зона с остаточными напряжениями сжатия практически равномерна не только в осевом, но и в круговом направлении.

Задача решена путем создания устройства для холодного расширения крепежных отверстий при помощи пластической деформации. Это устройство включает в себя гидравлический цилиндр, в котором помещен поршень с поршневым стержнем, к концу которого прикреплен дорн инструмента для осуществления обработки. Согласно изобретению, к корпусу гидравлического цилиндра устройства неподвижно закреплена резьбовая втулка инструмента. В осевом глухом отверстии поршневого стержня размещен датчик линейных перемещений, неподвижно прикрепленный к гидравлическому цилиндру, а в осевом отверстии поршня неподвижно установлен магнит, рассчитанный на срабатывание датчика линейных перемещений. Последний связан с командно- управляющим блоком, который в свою очередь подключен электрически к датчику давления и к электромагнитам гидравлического распределителя, который связан гидравлическим способом с двумя блоками „регулируемый дроссель - возвратный клапан", предназначенными соответственно для обоих направлений движения рабочего флюида.

з Задача решена и посредством инструмента для холодного расширения крепежных отверстий, включающего в себя дорн с конусной рабочей частью, причем между дорном и обрабатываемым отверстием продольно расположена разрезанная на три, четыре или больше частей цилиндрическая втулка с конусным отверстием в одном конце, угол конуса которого равен углу рабочей конусной части дорна. Согласно изобретению, цилиндрическая втулка разрезана полностью из конца в конец на отдельные, соприкасающиеся боками, без зазоров между ними, сегменты, которые в другом своем конце установлены без зазора в цилиндрическом отверстии связанной с устройством резьбовой втулки и по внешней цилиндрической поверхности дорна. Резьбовая втулка неподвижно закреплена к приводному устройству, фиксируя сегменты и в осевом направлении. Каждый сегмент контактирует с конусной поверхностью дорна только по одной образующей, лежащей в плоскости симметрии соответственного сегмента, для каждого взаимного расположения дорна и сегментов.

Предпочтительно, чтобы вокруг внешних цилиндрических поверхностей сегментов, на расстоянии не более Ютт от их рабочих поверхностей, контактирующих с отверстием, подлежащим холодному расширению, был прикреплен эластичный элемент для возврата сегментов в исходное пложение.

Предпочтительно также, чтобы сегменты были расположены в цилиндрическом отверстии резьбовой втулки с возможностью для радиального перемещения, причем между секторами и резьбовой втулкой должен быть установлен эластичный элемент.

Конусное отверстие разрезанной втулки и конусная поверхность рабочей части дорна расширяются по направлению к тому концу разрезанной втулки, который контактирует с отверстием, подлежащим пластической деформации.

При одном варианте выполнения инструмента одноименные ротационные внешние поверхности с радиусами R. сегментов образуют соответствующую непрерывную внешюю поверхность, которая не гладка из-за наличия продольных кромок, образованных в результате контактов между боками сегментов, причем радиусы окружностей, описанных вокруг полученных непрерывных, но не гладких внешних поверхностей, равны " , причем:

где k = -^— , δ - ширина инструмента, с помощью которого цилиндрическая втулка разрезана продольно, а п - число сегментов. Возможно, что в другом варианте выполнения инструмента одноименные ротационные внешние поверхности с радиусами R. сегментов образуют соответствующую непрерывную внешнюю поверхность, которая гладка.

Соответственно, при первом варианте выполнения одноименные ротационные внутренние поверхности с радиусами R _t ' сегментов образуют непрерывную внутреннюю поверхность, которая не гладка из-за наличия продольных кромок, образованных в результате контактов между боками сегментов, причем радиусы окружностей, вписанных в полученные непрерывные, но не гладкие внутренние поверхности, равны г. , причем:

2 sin—

п

где δ - ширина инструмента, посредством которого цилиндрическая втулка разрезана продольно, a n - число сегментов.

При втором варианте выполнения одноименные ротационные внутренние поверхности с радиусами Ri сегментов образуют соответствующую непрерывную внутреннюю поверхность, которая гладка.

Цилиндрические поверхности сегментов, контактирующих с отверстием, подлежащим холодному расширению, имеют радиусы R , определенные по формуле:

где d ₀ - диаметр заранее просверленного отверстия, DCE - степень холодного расширения в процентах.

Преимущества устройства состоят в возможности управлять степенью холодного расширения в том случае, когда устройство снабжено инструментом, который, согласно изобретению, имеет конкретные размеры. Осуществляемый при помощи устройства процесс холодного расширения не размерен, так как при помощи одного и того же инструмента реализуются различные степени холодного расширения в зависимости от осевого хода дорна после достижения заданного минимального давления на поршень, респективно после достижения плотного контакта между конусной частью дорна, сегмен- тами и отверстием. Таким способом допускается относительно более широкий допуск на диаметр заранее просверленного отверстия и нет необходимости проводить проверку с помощью калибра, что присуще размерным процессам.

Другое преимущество заключается в том, что через обрабатываемую заготовку не проходит осевой силовой поток, так как, проходя через устройство и инструмент, он самозакрывается, и таким образом обеспечивается возможность для создания практически равномерно распределенной в осевом направлении зоны остаточных напряжений сжатия, имеющих минимальный и симметрический градиент вокруг обработанных крепежных отверстий в конструкционных элементах. В результате этого циклически нагруженные конструкционные элементы будут иметь более длительный срок службы и сопротивление на усталость.

Из-за чисто радиального воздействия сегментов на поверхность отверстия и отсутствия трения при скольжении в осевом направлении, осевые деформации по двум кромкам„surface upset" будут минимальны, что минимизирует возможность появления вредного„фретинг-эффекта".

ОПИСАНИЕ ПРИЛОЖЕННЫХ ФИГУР

Фиг. 1 - представляет собой продольный разрез устройства и инструмента.

Фиг. 2 - продольный разрез через инструмент с сегментами, работающими на изгиб.

Фиг. 3 - поперечное сечение по А - А из Фиг. 2.

Фиг. 4 - поперечное сечение по В - В из Фиг. 2.

Фиг. 5 - поперечное сечение по С - С из Фиг. 2.

Фиг. 6 - поперечное сечение по D - D из Фиг. 2.

Фиг. 7 - продольный разрез через инструмент с радиально перемещающимися сегментами.

Фиг. 8 - продольный разрез через другой вариант выполнения инструмента.

Фиг. 9 - схема связанной с устройством приводной электрогидравлической системы.

ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному примерному варианту выполнения изобретения, устройство 61 для холодного расширения крепежных отверстий включает в себя (Фиг. 1): гидравлический цилиндр 27, в котором размещен поршень 26 с уплотнителем 31, связанный с поршневым стержнем 25, в отверстие которого 24 при помощи резьбы 23 закреплен дорн 1 инстру- мента 60. К гидравлическому цилиндру 27 прикреплен фланец 9, к которому прикреплена неподвижно резьбовая втулка 7 инструмента 60. В осевом глухом отверстии 55 поршневого стержня 25 размещен датчик линейных перемещений 34, который при помощи резьбового соединения 56 неподвижно прикреплен к гидравлическому цилиндру 27. Предусмотрен командно-управляющий блок 38 (Фиг. 9), корреспондирующий с датчиком линейных перемещений 34, с датчиком давления 37 и с электромагнитами 41 и 42 гидравлического распределителя 43, который питается рабочим флюидом при помощи гидравлического насоса 46. Гидравлический распределитель 43 корреспондирует последовательно с двумя блоками„регулируемый дроссель - обратный клапан" 39 и 40, в зависимости от направления движения рабочего флюида. Для осуществления контроля давления рабочего флюида предусмотрены предохранительный клапан 45 и манометр 44. Рабочий флюид хранится в резервуаре 48 и фильтруется посредством фильтра 47.

Между фланцем 9 и гидравлическим цилиндром 27 соосно установлен затвор 28 с уплотнительным кольцом 29. Затвор 28 прикреплен неподвижно к гидравлическому цилиндру 27 посредством резьбового соединения 57. В осевом отверстии 58 поршня 26, без осевого зазора между ними, установлрены дистанционная втулка 32 и магнит 33, необходимый для срабатывания датчика линейных перемещений 34. Гидравлический цилиндр 27 установен в пластмассовом кожухе 30, снабженном полой рукояткой 35 с пусковой кнопкой 36. На конце рукоятки 35 установлены штуцера 53 и 54. В гидравлическом цилиндре 27 сделаны радиальные отверстия 49 и 52, через которые рабочий флюид, проходящий через штуцера 53 и 54, поступает соответственно в поршневую камеру 50 и в стержневую камеру 51 гидравлического цилиндра 27.

Инструмент 60 для холодного расширения отверстий (Фиг. 2) включает в себя дорн 1 с конусной рабочей частью 2, причем между дорном 1 и обрабатываемым отверстием 3 в заготовке 12, имеющей торцевую поверхность 59, размещена продольно разрезанная на три, четыре или больше частей, называемых сегментами 6, цилиндрическая втулка 4 с конусным отверстием 5 в одном своем конце, который имеет угол конуса, равный углу а рабочей конусной части 2 дорна 1. Цилиндрическая втулка 4 разрезана полностью из конца в конец на отдельные сегмента 6, после чего они перемещены радиально к общей оси 13 дорна 1 и втулки 4 так, чтобы они соприкасались друг с другом боками, без зазора между ними. В другом своем конце сегменты 6 установлены без зазора между ними в цилиндрическом отверстии 14 резьбовой втулки 7 и по внешней цилиндрической поверхности 8 дорна 1, контактирующей с внутренней цилиндрической поверхностью 20 сегментов 6. Резьбовая втулка 7 прикреплена неподвижно к фланцу 9 устройства 61 для холодного расширения, фиксируя сегменты б и в осевом направлении. Каждый сегмент 6 контактирует с конусной поверхностью 15 конусной рабочей части 2 дорна 1 только по одной образующей 16, лежащей в плоскости симметрии 17 соответственного сегмента 6 для любого взаимного расположения дорна 1 и сегментов 6. Чтобы облегчить процесс монтажа, на секторах 6 сделаны фаски 22.

Вокруг внешних цилиндрических поверхностей 19 сегментов 6, на расстоянии не более 10 тт. от их рабочих поверхностей 10, контактирующих с отверстием, подлежащим холодному расширению, установлен эластичный элемент 21, предусмотренный для возврата сегментов 6 в исходное положение бокового соприкасания после их радиального перемещения. Таким образом облегчается ввод сегментов 6 в обрабатываемое отверстие 3. Ввод сегментов 6 облегчается и фасками 11, сделанными на их рабочих поверхностях 10.

До ее разрезания по оси цилиндрическая втулка 4 имела радиусы внешних и внутренних ротационных поверхностей соответственно R. и . После разрезания цилиндрической втулки 4 и радиального перемещения полученных сегментов 6 к оси 13 до их бокового соприкасания без зазора между ними одноименные ротационные поверхности сегментов 6 образуют соответственную непрерывную поверхность, которая не гладка из-за наличия продольных кромок, образованных в результате контактов между боковыми сторонами сегментов 6. Радиусы окружностей, описанных вокруг полученных непрерывных, но не гладких внешних поверхностей равны г? , а радиусы окружностей, вписанных в полученные непрерывные, но не гладкие внутренние поверхности, равны г. . Обе группы радиусов, с одной стороны R? и R\ , а с другой стороны г и г/ , находятся в корреляции. Если известны радиусы г- и г. , а также и число п сегментов и ширина δ инструмента, при помощи которого цилиндрическая втулка 4 разрезана продольно, можно вычислить диаметральные размеры, респективно радиусы R. и R. цилиндрической втулки 4, с которыми ее можно выработать.

С целью получения отверстия с минимальным отклонением от правильной геометрической формы после холодного расширения, рабочие цилиндрические поверхности 10 (Фиг. 6) сегментов 6, контактирующих с обрабатываемым отверстием 3, можно выработать с радиусом R , который зависит от диаметра d ₀ заранее просверленного отверстия и от степени холодного расширения DCE в процентах. Например, если d ₀ - 4тт , DCE = 4% , для R следует: R = 3.12 mm .

При одном варианте выполнения инструмента 60 (Фиг. 8), сегменты 6 установлены в цилиндрическом отверстии 14 резьбовой втулки 7 с возможностью для радиального перемещения, причем между сегментами 6 и резьбовой втулкой 7 установлен эластичный элемент 18.

При другом варианте выполнения инструмента 60 (Фиг. 7), конусное отверстие 5 в разрезанной втулке 4 и конусная поверхность 15 рабочей части 2 дорна 1 расширяются в направлении к концу разрезанной втулки 4, который контактирует с отверстием 3, подлежащим пластической деформации.

ПРИМЕНЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Холодное расширение крепежных отверстий при помощи устройства 61 и инструмента 60 осуществляется следующим способом: при помощи рукоятки 35 устройства 61 оператор вводит сегменты 6 в заранее просверленное отверстие 3 заготовки 12, что облегчается наличием фасок 11 и эластичного элемента 21. Кромка рабочих поверхностей 10 сегментов 6 совпадает с кромкой отверстия на торцевой поверхности 59 заготовки 12 так, как это показано на Фиг. 2. Между сегментами 6 и отверстием 3 есть зазор.

Заранее, на весь класс обрабатываемых отверстий с вмонтированным в устройство 61 инструментом 60 в контрольно-управляющем блоке 38 задается минимальное давление p _min и длина h _a осевого хода дорна 1 с целью реализовать два последовательных контроля, соответственно контроль за достижением начального минимального давления p _min , гарантирующего достижение жесткого контакта между рабочей конусной частью 2 дорна 1, сегментами 6 и обрабатываемым отверстием 3, и второй контроль за следующим осевым перемещением h _a дорна 1. В резулате осевой ход h _a дорна 1 и радиальный ход h _r сегментов 6 инструмента 60 находятся в линейной зависимости h _r / h _a = tga , для любого значения h _a , респективно передаточная функция между осевым h _a и радиальными h _r перемещениями - линейная. Предохранительный клапан 45 налажен на рабочее давление.

После нажатия пусковой кнопки 36, установленной в рукоятке 35 устройства 61, из контрольно-управляющего блока 38 подается напряжение к электромагниту 41 распределителя 43 и включается прилегающая к нему секция. В результате подаваемый из гидравлического насоса 46 рабочий флюид проходит через правую секцию распределителя 43, через обратный клапан блока "регулируемый дроссель - обратный клапан" 39 и через штуцер 53 и отверстие 49 поступает в поршневую камеру 50 гидравлического цилиндра 27. Поршень 26 начинает двигаться по направлению к торцевой поверхности 59 обрабатываемой заготовки 12. Вытолкнутый из поршневой камеры 51 рабочий флюид проходит через отверстие 52, штуцер 54, регулируемый дроссель блока "регулируемый дроссель - обратный клапан" 40, правую секцию распределителя 43, фильтр 47 и поступает в резервуар 48. Посредством поршневого стержня 25 поршень 26 перемещает в осевом направлении дорн 1, который при помощи своей рабочей конусной части 2 воздействует радиально на секторы 6. Последние перемещаются радиально относительно поверхности отверстия 3 в заготовке 12, пока давление в поршневой камере достигнет заданную величину p _min . Это давление гарантирует, что между конусной частью 2 дорна 1, сегментами 6 и обрабатываемым отверстием 3 получен жесткий контакт без зазора.

После достижения заданного давления p _min в поршневой камере 50, которое регистрируется датчиком давления 37, подается сигнал к контрольно-управляющему блоку 38. Реализируется рабочий ход h _a поршня 26, респективно дорна 1, причем контрольно-управляющий блок 38 через датчик линейных перемещений 34 следит за достижением заранее заданной величины хода h _a . Дорн 1 перемещается к заготовке 12 на заданном расстоянии h _a , причем рабочие поверхности 10 сегментов 6 перемещаются радиально к отверстию 3 на расстоянии h _r , деформируя его пластически, причем h _r / h _a = tg . Все точки рабочей поверхности 10 данного сегмента перемещаются параллельно плоскости его симетрии 17. Холодное расширение обрабатываемого отверстия заканчивается после достижения хода h _a поршня 26, респективно дорна 1.

Формирование зоны с остаточными напряжениями вокруг отверстия 3 в заготовке 12 начинается после переключения электромагнита 42 распределителя 43 посредством контрольно-управляющего блока 38. В результате прилегающая секция распределителя 43 переключается и рабочий флюид из насоса 46 проходит через левую секцию распределителя 43, через обратный клапан блока "регулируемый дроссель - обратный клапан" 40, через штуцер 54 и через отверстие 52 поступает в стержневую камеру 51 гидравлического цилиндра 27. Поршень 26 вместе с поршневым стержнем 25 и дорном 1 начинает удаляться от заготовки 12, причем сегменты 6 под действием своей эластичности и под действием эластичного элемента 21 перемещаются радиально к оси 13 до отделения их рабочих поверхностей 10 от уже расширенного отверстия 3. Вытолкнутый из поршневой камеры 50 гидравлического цилиндра 27 рабочий флюид проходит через регулируемый дроссель блока "регулируемый дроссель - обратный клапан" 39, через левую секцию распределителя 43, через фильтр 47 и поступает в резервуар 48. После того, как поршень 26 максимально удалится от заготовки 12, тоесть займет крайнеее положение справа, давление повышается, предохранительный клапан 45 срабатывает и лявая секция распределителя 43 выключается, чем завершается формирование зоны остаточных напряжений вокруг отверстия 3 в заготовке 12, причем соответственно оператор отпускает кнопку 36. Контрольно-управлящий блок 38 позволяет оператору отпустить стартовую кнопку 36 еще после завершения процесса холодного расширения, после чего возвращение дорна 1 осуществляется автоматически. После прекращения воздействия сегментов 6 на отверстие 3 естественному стремлению материальных частиц заготовки занять свое исходное положение противопоставляется вытянувшийся слой металла вокруг отверстия, диаметр которого увеличился. В резултате несвободного, воспрепятствованного сжатия металла вокруг отверстия возникают остаточные кольцевые нормальные напряжения на сжатие, имеющие минимальный и симметрический осевой градиент, и они наподобие скобы закрывают существующие микротрещины и препятствуют формированию новых таких.

Наконец оператор вынимает инструмент из обрабатываемого отверстия 3 при помощи рукоятки 35 устройства.

Ю