Способ управления поверхностным пластическим деформированием и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к отделочно-упрочняющей обработке поверхностей поверхностным пластическим деформированием и может быть использовано для обработки маложестких деталей машин. Цель изобретения - повышение качества обработки за счет обеспечения равномерности характеристик упрочнения. Деформирующим элементам, расположенным в каналах инструмента, посредством рабочего агента сообщают ультразвуковые колебания и перемещают вдоль обрабатываемой поверхности. В процессе обработки изменяют частоту колебаний деформирующих элементов до обеспечения неизменного по величине уровня шума от взаимодействия деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью детали. Узел генерации ультразвуковых колебаний выполнен в виде полого резонатора с конусообразной торцовой поверхностью. Большее основание усеченного конуса направлено в сторону резонатора и образует с внутренней поверхностью стакана щелевое сопло. Стакан подпружинен и установлен в полости корпуса с возможностью регулировочного осевого перемещения. Инструмент снабжен механизмом осевого нагружения стакана, выполненным в виде толкателя и электромагнита. Толкатель взаимодействует одним из торцов с торцовой поверхностью стакана. Магнит закреплен на корпусе инструмента и охватывает внешнюю поверхность толкателя. Это обеспечивает неизменную по величине силу динамического воздействия деформирующих элементов на обрабатываемую поверхность. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к отделочно-упрочняющей обработке поверхностным пластическим деформированием и может быть использовано для упрочнения поверхностей маложестких машин.

Цель изобретения повышение качества обработки за счет обеспечения равномерности характеристик упрочнения.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен инструмент для осуществления способа.

Инструмент содержит корпус 1, каналы 2 с установленными в них с возможностью колебательных перемещений деформирующими элементами 3. Корпус 1 имеет магистраль 4 для подвода рабочего агента (воздуха или смеси газов). Каналы 2 соединены с магистралью 4 посредством сквозных отверстий 5. Узел генерации акустических колебаний выполнен в виде полого резонатора 6 с конусной торцовой поверхностью 7, имеющей острую кромку 8, стакан 9, центрирующего элемента 10, усеченного конуса 11. При этом устройство генерации ультразвуковых колебаний установлено в полости 12 корпуса 1. Полость 12 соединена с магистралью 4. Резонатор 6, стакан 9, центрирующий элемент 10, усеченный конус 11 установлены соосно. Большее основание 13 усеченного конуса 11 направлено в сторону резонатора 6 и образует с внутренней поверхностью 14, стакана 9 щелевое сопло 15. Центрирующий элемент 10 крепится к стакану 9 посредством штифта 16.

Стакан 9 подпружинен пружиной 17 и установлен в полости 12 корпуса 1 с возможностью регулировочного осевого перемещения. Инструмент снабжен механизмом осевого нагружения стакана 9, выполненным в виде толкателя 18 и электромагнита 19. Толкатель 18 установлен в полости 12 инструмента и взаимодействует с одним из торцов с торцовой поверхностью стакана 9. Электромагнит 19 закреплен в корпусе 1 и охватывает внешнюю поверхность толкателя 18.

Деталь 20 устанавливают в патроне стакана и сообщают ей вращательное движение. Инструменту сообщают движение подачи вдоль обрабатываемой поверхности. Одновременно в магистраль 4 под давлением подают рабочий агент. Рабочий агент заполняет полость стакана 9 и выходит из щелевого сопла 15 под избыточным давлением и попадает в полость резонатора 6 и кромку 8, возбуждая на ней периодические вихри. В резонаторе 6 струя рабочего агента теряет кинетическую энергию, т. е. тормозится. При этом с кольцевой полости, образованной внутренней поверхностью резонатора 6 и основанием 13 усеченного конуса 11 возникает косой скачок уплотнения рабочего агента, за которым скорость потока рабочего агента становится дозвуковой, а давление возрастает. Когда давление в кольцевой полости резонатора 6 возрастает и станет равным давлению рабочего агента в магистрали 4, резонатор 6 становится источником струи рабочего агента, движущейся навстречу основной струе, которая выходит из щелевого сопла 15. По мере вытекания рабочего агента из резонатора 6, давление в нем снижается. Наконец давление в резонаторе 6 спадает до величины меньшей, чем давление в основной струе, Скачек уплотнения перемещается при этом в свое крайнее положение. Процесс разгрузки резонатора 6 закачивается и начинается новая фаза заполнения. Таким образом, взаимодействие постоянно существующего потока рабочего агента (поток, который выходит из щелевого сопла 15) с периодически действующим обратным потоком, выходящим из кольцевой полости резонатора 6 и образующимися завихрениями потока на кромке 8, приводит к пульсации рабочего агента с ультразвуковыми частотами, т. е. рабочий агент начинает пульсировать с ультразвуковой частотой.

Колеблющийся с ультразвуковой частотой рабочий агент попадает в сквозные отверстия 5 корпуса 1 инструмента и воздействует на деформирующие элементы 3. При этом деформирующие элементы то прижимаются, то отрываются от детали, осуществляя пространственные колебательные перемещения с ультразвуковой частотой.

Частота ультразвуковых колебаний деформирующих элементов зависит от скорости истечения агента из сопла 15 и расстояния l от кромки 8 резонатора 6 и торцовой поверхности 14 усеченного конуса 11 и определяется математической зависимостью f 0,466iV/l (1) где f частота ультразвуковых колебаний деформирующих элементов; V - скорость истечения защитного агента из кольцевой щели, i 1, 2, 3. - порядковый номер гармонической составляющей акустических колебаний, усиливающихся в резонаторе; l расстояние между кромкой резонатора и торцовой поверхностью усеченного конуса.

Изменяя указанные параметры (l или V), устанавливают требуемую частоту ультразвуковых колебаний деформирующих элементов. При этом (с целью обеспечения требуемой частоты ультразвуковых колебаний деформирующих элементов) наиболее целесообразно изменять расстояние l, т. к. изменение скорости истечения защитного агента приводит к соответствующему изменению силовых параметров деформирования, что может привести к снижению стабильности упрочнения формируемой (упрочняемой) поверхности детали.

В момент вступления в работу деформирующих элементов 3, с помощью известных средств изменяют уровень шума от взаимодействия деформируемых элементов с поверхностью детали. Измененное значение уровня шума, преобразованное в электрический сигнал поступает на сравнивающее устройство системы автоматического регулирования станка. Одновременно в сравнивающее устройство системы автоматического регулирования подается эталонный сигнал от задающего устройства. Сигнал рассогласования со своим знаком усиливается усиливающим устройством и подается на исполнительный механизм электромагнит 19. В соответствии со знаком и величиной сигнала рассогласования, возникающая осевая электромагнитная сила нагружает стакан 9, изменяя степень сжатия пружины 17, изменяет величину расстояния l между кромкой 8 и торцом 13 усеченного конуса 11. В соответствии с этим, изменяется и частота ультразвуковых колебаний деформирующих элементов, определяемая зависимостью (1). При равенстве нулю сигнала рассогласования, регулировочное осевое перемещение стакана 9 прекращается.

Таким образом, по мере перемещения инструмента, непрерывно изменяется уровень шума от взаимодействия деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью и при его отклонении от контрольного уровня, осуществляют изменение частоты колебаний деформирующих элементов. Причем при увеличении уровня шума частоту ультразвуковых колебаний деформирующих элементов увеличивают, а при уменьшении уровня шума наоборот, частоту колебаний деформирующих элементов уменьшают. Регулировочное изменение частоты ультразвуковых колебаний деформирующих элементов прекращают при приближении сигнала рассогласования сколь угодно близко к нулю. Это обеспечивает неизменную по величине силу динамического воздействия деформирующих элементов на обрабатываемую поверхность и повышает ее качественные характеристики.

Примером конкретного выполнения можно привести отделочно-упрочняющую обработку внутренней поверхности втулки из стали 45 (НВ 220) с внутренним диаметром 90 мм, наружным диаметром 100 мм и длиной 300 мм. В качестве деформирующих элементов использовали шарики диаметром 6 мм из стали ШХ 15 (НRC 62). Шарики устанавливали в радиальных каналах корпуса (12 шт.) с возможностью колебательных перемещений. Обработку детали выполняли на станке мод. 16К20Т на следующих режимах Скорость вращения детали, м/мин 0,1 180 Осевая подача инструмента, мм/мин 12 640 Размер кольцевой щели, мм 0,1 1 Расстояние l изменяли в пределах, мм 5 35 Скорость истечения рабочего агента, м/с 2 300 Диапазон изменения частоты ультразвуковых колебаний деформирующих элементов, кГц 1 15
За эталонное значение принимали уровень шума в 6 дБ.

Для измерения уровня шума от взаимодействия деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью использовали шумомер. В качестве сравнивающего, усиливающего и задающего устройств системы автоматического регулирования станка использовали микропроцессор. Шероховатость обработанной поверхности R_a 0,63 0,58 мкм, глубина упрочнения 0,5 мм.

Предложенный способ и инструмент для его осуществления позволяют существенно повысить качественные характеристики обработанной поверхности, так как позволил уменьшить разброс характеристик обработанной, упрочненной поверхности: глубина упрочнения на 30% степени упрочнения на 28% остаточных напряжений сжатия на 15% шероховатости поверхности на 40%

Формула изобретения

1. Способ управления поверхностным пластическим деформированием, при котором деформирующим элементам посредством рабочего агента сообщают акустические колебания, а также перемещают их вдоль обрабатываемой поверхности и управляют параметрами движения рабочего агента и частотой колебаний деформирующих элементов, отличающийся тем, что, с целью повышения качества обработки за счет обеспечения равномерности характеристик упрочнения, в процессе обработки постоянно измеряют уровень шума от воздействий деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью и изменяют частоту колебаний деформирующих элементов, а в качестве критерия управления параметрами движения рабочего агента выбирают постоянную величину шума.

2. Инструмент для управления поверхностным пластическим деформированием, содержащий корпус с полостью, каналами и установленными в них с возможностью осевого перемещения формирующими элементами, материалы для подвода рабочего агента и узел генерации акустических колебаний в виде полого резонатора с конусообразной торцевой поверхностью, стакана, центрирующего элемента и усеченного конуса, установленных соосно в полости корпуса инструмента, отличающийся тем, что, с целью повышения качества обработки за счет обеспечения равномерности характеристики упрочнения, он снабжен пружиной, установленной в корпусе с возможностью взаимодействия со стаканом и механизмом осевого нагружения стакана в виде толкателя и электромагнита, при этом толкатель размещен в полости инструмента с возможностью взаимодействия с торцевой поверхностью стакана, а электромагнит жестко закреплен на корпусе с возможностью охвата наружной поверхности толкателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1