Способ обработки детали поверхностным пластическим деформированием

 

Использование: обработка металлов давлением, в частности упрочняющая обработка различных деталей машин. Сущность изобретения: в процессе обработки в обрабатываемом материале создают дополнительные напряжения кручения, направление которых противоположно направлению тангенциальной составляющей силы обкатки. В результате такого воздействия уменьшается температура в зоне деформации, повышаются износостойкость и усталостная прочность. 2 ил. 1 табл.

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к процессам финишной обработки поверхностей деталей машин.

Известен способ обработки детали поверхностным пластическим деформированием, при котором обрабатываемой детали сообщается вращение, а деформирующий инструмент прижимают к обрабатываемой поверхности с определенным усилием, сообщая ему продольную подачу [1] Недостатком известного способа обработки детали поверхностным пластическим деформированием является низкое качество обработанной поверхности, которое выражается в неравномерном распределении физико-механических свойств материала поверхностного слоя и его неоднородном микрорельефе.

Известен способ упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием, при котором инструменту сообщают ультразвуковые колебания с изменяющейся амплитудой и перемещают его эквидистантно обрабатываемой поверхности, а детали вращение с образованием на ней регулярного микрорельефа, причем амплитуду ультразвуковых колебаний изменяют ступенчато в зависимости от требуемого параметра микрорельефа, размеров детали и угловой скорости ее вращения [2] Недостатком известного способа упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием является низкая стойкость инструмента при высокой энергоемкости процесса обработки.

Известен способ обработки поверхностным пластическим деформированием, при котором детали сообщают вращение, а цилиндрический инструмент прижимают к обрабатываемой поверхности с постоянным усилием деформирования и осуществляют его покачивание вокруг оси, проходящей по нормали к обрабатываемой поверхности через центр пятна контакта инструмента с деталью, причем для образования регулярного рельефа в виде наклонных канавок осуществляют поворот цилиндрического инструмента в сторону канавок, а угол поворота выбирают больше предельного угла покачивания инструмента в другую сторону [3] Указанный способ обработки детали поверхностным пластическим деформированием принят за прототип.

Недостатком известного способа обработки детали поверхностным пластическим деформированием является невысокая эффективность процесса, которая выражается низкой производительностью обработки и низкой стойкостью инструмента, обусловленной поворотом его и принудительным покачиванием при пластическом деформировании металла.

Задачей изобретения является повышение эффективности способа обработки детали поверхностным пластическим деформированием.

Для достижения технического результата в поверхностном слое вала в процессе обкатки в направлении, противоположном тангенциальной составляющей силы обкатывания, создают напряжения кручения, максимальную величину которых определяют по формуле τ_макс= (0,35.0,60) e^0,1ν·^Kρ K где σ_m предел текучести обрабатываемого материала, кг/мм²; R приведенный радиус кривизны контактирующих поверхностей, мм; ΔН толщина упрочненного слоя поверхности обработанной детали, мм; ν коэффициент Пуассона; K_ρ показатель дислокационной насыщенности обрабатываемого материала, равный отношению текущего значения плотности дислокаций материала ρ, полученной на предыдущей операции, к ее исходному значению ρ_исх.

K_ρ ρ / ρ_исх. К коэффициент компактности элементарной ячейки кристаллической решетки обрабатываемого материала;
D диаметр обрабатываемой детали, мм.

Сущность способа состоит в том, что в обрабатываемом материале в процессе поверхностной пластической деформации создают дополнительные напряжения кручения, направление которых противоположно направлению возникающей тангенциальной составляющей силы обкатки. Создаваемые напряжения кручения снижают величину тангенциальной составляющей силы обкатки, в результате чего уменьшается температура в зоне пластических деформаций, так как тепло деформации при отделочно-упрочняющей обработке деталей пропорционально тангенциальной силе (с. 18). Уменьшаются потери работы деформации на трение; происходит перераспределение дислокации кристаллической решетки металла, приводящее к повышению статистической однородности качественных показателей поверхностного слоя обработанной детали. Уменьшается высота неровностей обработанной поверхности. В результате повышаются износостойкость и усталостная прочность металлов и стойкость упрочняющего инструмента.

Создаваемые напряжения кручения не должны вызывать в обрабатываемом материале лавинного образования и перемещения дислокаций по плоскостям скольжения, что привело бы к резкому возрастанию тангенциальной составляющей силы обкатки и снижению эффективности отделочно-упрочняющей обработки. Поэтому величина создаваемых в обрабатываемом материале максимальных напряжений кручения должна назначаться с учетом типа кристаллической решетки материала, характеризуемой коэффициентом компактности элементарной ячейки, состояния дислокационной структуры материала, полученного на предыдущей операции механической обработки и выражаемого через показатель дислокационной насыщенности обрабатываемого материала K_ρ равного отношению текущего значения плотности дислокации ρ к ее исходному значению ρ_исх.K_ρ ρ / ρ_исх. а также подвижности дислокации, которая для кручения определяется экспоненциальной зависимостью e^0,1 ν ^Kρ и обусловлена энергией упругих искажений ядра дислокации, где ν коэффициент Пуассона.

Максимальная величина напряжений кручения в поперечном сечении цилиндрической детали определяется по формуле
τ_макс= где М_кр прикладываемый к обрабатываемой детали дополнительный крутящий момент;
W_р полярный момент сопротивления; для сплошного сечения обрабатываемого вала диаметром D W_p ≈ 0,2D³;
Максимальная величина прикладываемого к обрабатываемому валу крутящего момента М_кр равна
M_кр= P_т· где Р_т тангенциальная составляющая силы откатки;
Р_т/Р_н 0,07-0,12, где Р_н нормальная составляющая силы обкатки (I, с. 12-13).

Но Р_н 2 σ_m (1 + 0,07R)² ˙ ΔH², где σ_m предел текучести обрабатываемого материала;
R приведенный радиус кривизны контактирующих поверхностей;
Δ Н толщина упрочненного слоя обработанной поверхности детали (I, с. 48).

Тогда максимальная величина прикладываемого к обрабатываемому валу крутящего момента М_кр равна
М_кр (0,07-0,12) σ_m (1+0,07R)²˙ Δ H²˙ D, а максимальная величина напряжений кручения в поперечном сечении детали с учетом особенностей кристаллического строения материала определяется по формуле
τ_макс= (0,35.0,60) e^0,1ν·^Kρ ·K
Практическое осуществление способа обработки детали поверхностным пластическим деформированием сводится к закреплению детали в приспособлении (например, трехкулачковом патроне передней бабки токарного станка); создании при помощи дополнительного устройства в обрабатываемом материале напряжения кручения (например, в результате создания крутящего момента на противоположном конце обрабатываемого вала, закрепленном в трехкулачковом патроне специального устройства, установленном на месте задней бабки токарного станка); подводе к обрабатываемому валу отделочно-упрочняющего инструмента; создании необходимого усилия деформирования, обусловленного требуемой толщиной упрочненного слоя ΔН; включении на станке вращения детали и движения продольной подачи инструмента.

На фиг.1 представлена схема практического осуществления способа обработки детали поверхностным пластическим деформированием, где 1 обрабатываемая деталь, 2 инструмент, 3 патрон передней бабки станка, 4 патрон задней бабки станка, 5 задняя бабка, в которой помещается устройство для создания напряжения кручения в обрабатываемом материале. На фиг.2 приведена принципиальная схема устройства создания напряжения кручения в обрабатываемом материале, где 1 шкив, 2 тормозная лента, 3 пружина, 4 натяжная поворотная шайба, 5 опорный стакан, 6 измерительная шкала.

Для сравнения выполнена обработка партий деталей поверхностным пластическим деформированием двумя способами по прототипу и по предлагаемому способу. Обработке поверхностным пластическим деформированием подвергались валики из стали 20ХН ( σ_m 65 кг/мм²) длиной 480 мм и диаметром 40 мм, которые устанавливались и закреплялись на токарно-винторезном станке мод. 1И611П, имеющем устройство для создания напряжения кручения в обрабатываемом материале. Предварительно валики подвергались шлифованию на круглошлифовальном станке мод. 3А151, в результате чего средний показатель дислокационной насыщенности составил K_ρ 120. В качестве инструмента использовался роликовый обкатник из закаленной быстрорежущей стадии Р6М5 диаметром 48 мм и радиусом рабочего профиля R 12 мм. Усилие деформирования составляло 1,5 кН, что должно обеспечить толщину упрочненного слоя обработанной поверхности детали ΔН 0,6 мм. Условия поверхностного пластического деформирования по прототипу: амплитуда покачивания инструмента 5,6 мм; угол поворота инструмента 10^о. Условие поверхностного пластического деформирования по предлагаемому способу; τ_макс 0,35 кг/мм² 3,5 МПа, что достигалось созданием в устройстве, расположенном в задней бабке токарного станка, тормозящего момента, равного 4,48 кг ˙м.

Полученные средние значения показателей эффективности способов обработки деталей поверхностным пластическим деформированием по прототипу и предлагаемому приведены в таблице. Анализ представленных данных показывает, что предлагаемый способ обработки детали поверхностным пластическим деформированием металла позволяет в 1,2-1,3 раза повысить производительность обработки, в 1,5-1,8 раза повысить стойкость используемого инструмента, на 15-20% улучшить однородность показателей качества обработанной поверхности детали.

Формула изобретения

СПОСОБ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛИ ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ, включающий деформирующее воздействие упрочняющего инструмента на обрабатываемую поверхность вращающейся цилиндрической детали, отличающийся тем, что в поверхностном слое обрабатываемой детали в процессе обработки в направлении, противоположном тангенциальной составляющей силы обкатывания, создают напряжения кручения, максимальная величина которых равна
τ_макс= (0,35...0,60)·

где G_м предел текучести обрабатываемого материала, кг/мм²;
R приведенный радиус кривизны контактирующих поверхностей, мм;
ΔH толщина упрочненного слоя поверхности детали, мм.

ν коэффициент Пуассона,
Kρ показатель дислокационной насыщенности обрабатываемого материала, равный отношению текущего значения плотности дислокации материала r, полученной на предыдущей операции, к ее исходному значению ρ_исх.
Kρ=ρ/ρ_исх;
K -коэффициент компактности элементарной ячейки кристаллической решетки обрабатываемого материала;
D диаметр обрабатываемой детали, мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2