Способ поверхностного пластического деформирования и инструмент для его осуществления

 

Использование: поверхностное упрочнение маложестких деталей машин. Сущность изобретения: способ поверхностного деформирования заключается в том, что в полость обрабатываемой детали помещают деформирующие элементы, которые сообщают вращательное движение вокруг продольной оси детали посредством магнитного поля, вводят деформирующие элементы во взаимодействие с обрабатываемой поверхностью, а затем перемещают деформирующие элементы параллельно продольной оси изделия. Для усиления воздействия на обрабатываемую поверхность на деформирующие элементы дополнительно в зоне деформации воздействуют кольцевым магнитным полем, величина магнитной индукции которого составляет 0,4 - 1,9 Тл. Инструмент для осуществления способа снабжен устройством намагничивания поверхностного слоя обрабатываемой детали. Упомянутое устройство выполнено в виде двух шайб, установленных на корпусе соосно с ним, со стороны наружных торцевых поверхностей щечек, и постоянного кольцевого магнита с осевой намагниченностью, установленного на корпусе, соосно с ним, между внутренними торцевыми поверхностями шайб и донной частью кольцевой камеры, в которой с возможностью пространственного перемещения установлены деформирующие элементы. Деформирующие элементы перемещаются посредством воздействия магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами, размещенными на дне кольцевой камеры и магнитного поля, создаваемого постоянным кольцевым магнитом. 2 с.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области упрочнения маложестких деталей машин из магнитных материалов методом поверхностно-пластического деформирования и может быть использовано в машиностроении.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявляемому изобретению относится способ поверхностного пластического деформирования, при котором деформирующие элементы помещают в полости обрабатываемой детали, сообщают им вращательное движение посредством магнитного поля вокруг оси поверхности и обеспечивают контакт с этой поверхностью, перемещают деформирующие элементы вдоль оси детали.

Известен и инструмент для осуществления способа, содержащий корпус, изготовленный из немагнитного материала, щечки, изготовленные из немагнитного материала, соединенные между собой и образующие кольцевую камеру, открытую в направлении от оси инструмента к его периферийной поверхности, источники магнитного поля, установленные на дне кольцевой камеры, равномерно по окружности, деформирующие элементы, установленные в кольцевой камере с возможностью осуществления пространственных колебательных перемещений [1] К недостаткам указанного способа и инструмента для его осуществления следует отнести то, что недостаточен эффект упрочнения, так как упрочняется поверхностный слой детали на глубину 0,1-0,2 мм. Малы характеристики упрочненного слоя детали: остаточные напряжения сжатия не превышают 60 мПа; степень деформации составляет 5,0-10% Это снижает качественные характеристики обработанной поверхности.

Цель изобретения повышение качественных характеристик обработанной поверхности за счет увеличения характеристик упрочнения поверхностного слоя детали.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе поверхностного пластического деформирования, при котором деформирующие элементы помещают в полости обрабатываемой детали, сообщают им вращательное движение посредством магнитного поля вокруг оси поверхности и обеспечивают контакт с этой поверхностью, перемещают деформирующие элементы вдоль оси детали, согласно изобретению, на поверхностный слой упрочняемой детали, расположенный в очаге деформации, воздействуют кольцевым магнитным полем, величина магнитной индукции которого составляет 0,4-1,9 Тл.

Поставленная цель достигается и тем, что в известном инструменте для отделочно-упрочняющей обработки, содержащем корпус, изготовленный из немагнитного материала, щечки, изготовленные из немагнитного материала, соединенные между собой и образующие кольцевую камеру, открытую в направлении от оси инструмента к его периферийной поверхности, источники магнитного поля, установленные на дне кольцевой камеры, равномерно по окружности, деформирующие элементы, установленные в кольцевой камере с возможностью осуществления пространственных колебательных перемещений, согласно изобретению, инструмент снабжен устройством намагничивания поверхностного слоя детали в очаге деформации, выполненным в виде двух шайб, изготовленных из магнитного материала и источника магнитного поля в виде кольцевого постоянного магнита с осевой намагниченностью, кольцевой магнит и шайбы установлены соосно оси инструмента, симметрично плоскости симметрии кольцевой камеры, при этом шайбы торцевыми поверхностями взаимодействуют с внешними торцовыми поверхностями щечек и торцовыми поверхностями кольцевого магнита.

Такое выполнение способа и инструмента для его осуществления обеспечивает увеличение силы воздействия деформирующих элементов на обрабатываемую поверхность. Появление дополнительной силы деформирования обусловлено притяжением деформирующих элементов к детали дополнительной магнитной силой, вызываемой прохождением магнитного потока от дополнительного источника магнитного поля (силовых линий магнитного поля) через очаг деформации.

Так как заявляемые признаки в известных технических решениях не выявлены, а совокупность признаков обеспечивает достижение положительного эффекта, заключающегося в повышении качественных характеристик упрочненной поверхности, то это дает основание утверждать, что заявленное техническое решение удовлетворяет критерию "существенные отличия".

Изобретение поясняется чертежом. На фиг. 1 представлен инструмент для осуществления способа; на фиг. 2 изображена схема действия сил на деформирующие элементы со стороны детали и инструмента (до взаимодействия деформирующих элементов с поверхностью детали; сила тяжести, действующая на деформирующие элементы условно не показана).

Инструмент содержит корпус 1, изготовленный из немагнитного материала, щечки 2, 3, изготовленные из немагнитного материала, соединенные между собой и образующие кольцевую камеру 4, открытую в направлении от оси 5 инструмента к его периферийной поверхности 6. Инструмент содержит также источники магнитного поля 7, установленные на дне кольцевой камеры 4 равномерно по окружности, с последовательным чередованием знака полюсов, деформирующие элементы 8, установленные в кольцевой камере 4 с возможностью осуществления пространственных колебательных перемещений.

Инструмент снабжен устройством намагничивания поверхностного слоя детали в очаге деформации, выполненным в виде двух шайб 9, 10 изготовленных из магнитного материала, и источника магнитного поля в виде кольцевого постоянного магнита 11 с осевой намагниченностью. Кольцевой магнит 11 и шайбы 9, 10 установлены соосно оси 5 инструмента, симметрично плоскости симметрии 12 кольцевой камеры 4. Шайбы 9, 10 торцовыми поверхностями 13, 14 взаимодействуют с внешними торцовыми поверхностями 15, 16 щечек 2, 3 и торцовыми поверхностями 17, 18 кольцевого магнита 11.

Деталь 19 из немагнитного материала устанавливают в приспособлении станка, а корпус 1 инструмента в шпинделе 20 станка. Инструмент вводят в отверстие обрабатываемой детали 19 и совмещают плоскость симметрии 12 кольцевой камеры 4 с краем 21 обрабатываемой поверхности. Магнитные линии (на фиг. 1 изображены тонкими линиями) от кольцевого магнита 11 проходят через шайбы 9, 10 и замыкаются (по кольцевой поверхности) на поверхностный слой упрочняемой детали, расположенные в очаге деформации. В результате на поверхностный слой упрочняемой детали, расположенный в очаге деформации действует кольцевое магнитное поле, с определенной величиной магнитной индукции. При этом величина магнитной индукции магнитного поля, которое создается в очаге деформации поверхностного слоя детали, определяется характеристиками используемого для обработки кольцевого магнита 11 (для обработки конкретной детали устанавливают магнит 11 с требуемыми характеристиками).

В результате замыкания силовых линий магнитного поля (от магнита 11) на поверхностный слой детали 19, последний притягивает деформирующие элементы 8 с дополнительной магнитной силой Р_м.дет. (где Р_м.дет. сила магнитного притяжения деформирующих элементов к зоне деформирования) и между обрабатываемой поверхностью детали 19 и деформирующими элементами 8 устанавливается "магнитная связь".

Шпинделю 20 инструмента сообщают вращательное движение и перемещают инструмент вдоль обрабатываемой поверхности. Под действием магнитного поля от источников 7 деформирующие элементы 8 разгоняются в окружном направлении кольцевой камеры инструмента, сталкиваются с обрабатываемой поверхностью детали 19 и осуществляют ее динамической наклеп. Причем в момент периодического расположения деформирующих элементов 8 над источниками магнитного поля 7 (по мере вращения деформирующих элементов 8 вдоль кольцевой камеры 4) деформирующие элементы 8 получают приращение энергии со стороны источников магнитного поля 7 и "выталкиваются" на обрабатываемую поверхность. При приближении деформирующих элементов 8 к обрабатываемой поверхности детали 19 на них начинает действовать дополнительная сила сила магнитная притяжения (P_м.дет) к детали. В связи с этим, деформирующие элементы 8 приобретают (увеличивают) скорость и ускорение и взаимодействуют с поверхностью детали 19 силой деформирования, значения которой определяется выражением: Σ P_деф = Р_м.инст.+ Р_м.дет.+ Р_ц где P_деф суммарная сила деформирования; P_м.инст сила воздействия источников магнитного поля на деформирующие элементы; Р_м.дет сила магнитного притяжения деформирующих элементов к зоне деформирования; Р_ц центробежная сила.

Из сказанного следует, что суммарная сила деформирования (по отношению к прототипу) возрастает на значение силы P_м.дет и этим обуславливается увеличение характеристик упрочнения поверхностного слоя детали.

Схема действия сил на деформирующие элементы 8 (до столкновения деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью) представлена на фиг. 2 (на фиг. 2 обозначениями С_дет и C_ин условно показана "жесткость магнитной связи" деформирующих элементов соответственно с деталью и инструментом). Анализ сил действующих на деформирующие элементы 8 показывает, что динамическое воздействие деформирующих элементов 8 на обрабатываемую поверхность детали 19 обусловлено наличием возмущающей, периодически изменяющейся по величине и направлению силы Р_м.инст. (т.е. силы воздействия источников магнитного поля 7 на деформирующие элементы 8), изменяющейся от нуля до своего максимального значения. Так как сила Р_м.дет притяжения деформирующих элементов 8 к очагу деформации детали 19 определяется характеристиками магнитного поля в очаге деформации, то были проведены экспериментальные исследования влияния величины магнитной индукции магнитного поля в очаге деформации на качественные характеристики упрочненной поверхности. Результаты таких экспериментальных исследований представлены в таблице.

Влияние величины магнитной индукции магнитного поля в очаге деформации на качественные характеристики обработанной поверхности.

Примечание: экспериментальные данные в табл. 1 получены на режимах обработки, представленных в примере конкретного выполнения способа.

Анализ экспериментальных данных показывает, что магнитное поле в очаге деформации с магнитной индукцией менее 0,4 Тл не оказывает влияние на качественные характеристики обрабатываемой поверхности (это обусловлено незначительной по величине силой притяжения деформирующих элементов к поверхности детали в очаге деформации). Начиная со значения магнитной индукции 0,4 Тл и более (до 1,9 Тл), обеспечивается увеличение характеристик упрочнения поверхностного детали за счет увеличения силы деформирования на величину силы (Р_м.дет притяжения деформирующих элементов к очагу деформации обрабатываемой детали. Однако магнитное поле с величиной магнитной индукции более 1,9 Тл. хотя и приводит к увеличению силы (Р_м.дет) прижатия деформирующих элементов к обрабатываемой поверхности, но при этом снижает динамику (колебательные перемещения) деформирующих элементов (так как развиваемая при этом сила P_м.дет начинает препятствовать колебательным перемещениям деформирующих элементов, см. фиг.2. Частота колебаний и амплитуда колебаний деформирующих элементов при этом снижается. Соответственно снижаются и качественные характеристики упрочнения поверхностного слоя детали (см. табл. 1).

Из сказанного следует, что магнитное поле в очаге деформации с магнитной индукцией 0,4-1,9 Тл. следует считать оптимальным, так как оно обеспечивает повышение характеристик упрочнения поверхностного слоя детали.

В качестве примера конкретного выполнения можно привести обработку отверстия втулки из стали 45 (НВ 197-208) на станке 16К20 Т1, оснащенном специальным шпинделем. Диаметр обработки 220 мм; длина обработки 200 мм; диаметр используемых деформирующих элементов 12 мм (ШХ15, НРС_э 62).

В качестве источников магнитного поля, расположенных на дне кольцевой камеры инструмента использовали двухполюсные, радиально расположенные постоянные магниты со следующими характеристиками: магнитная индукция в зоне кольцевой камеры инструмента 0,1 1,62 Тл. Материал магнитов SmCO₅. Магнитная индукция используемого кольцевого магнита с осевой намагниченностью составляла 0,3 2,1 Тл. Материал магнита SmCO₅. Оптимальная величина магнитной индукции магнитного поля в очаге деформации составляла 0,4-169 Тл.

Режимы обработки: Скорость вращения инструмента 1,5 м/с; Подача инструмента 80-640 мм/мин;
Развиваемая сила магнитного притяжения деформирующих элементов к поверхности очага деформации обрабатываемой детали составляла 50-300 Н. Расстояние (зазор) между поверхностью шайб инструмента и поверхностью детали составлял 0,2-5 мм. Охлаждение масло индустриальное.

Предложенный способ и инструмент для его осуществления позволяет повысить качественные характеристики обработанной поверхности, такт как (по отношению к прототипу) увеличивает характеристики упрочнения поверхностного слоя детали: глубину упрочнения до 2,9 раз; напряжений сжатия до 2,2 раз; степени деформации поверхностного слоя до 3,5 раза обеспечивает снижение шероховатости поверхности до R_a=0,63-0,32 мкм и волнистости поверхности до 4 мкм.

Формула изобретения

1. Способ поверхностного пластического деформирования, при котором в полость обрабатываемой детали устанавливают деформирующие элементы, сообщают им вращательное движение вокруг продольной оси детали посредством магнитного поля, вводят их во взаимодействие с обрабатываемой поверхностью, а затем перемещают параллельно продольной оси детали, отличающийся тем, что, с целью повышения качества обрабатываемой поверхности за счет усиления результирующего воздействия деформирующих элементов, на деформирующие элементы в зоне деформации дополнительно воздействуют кольцевым магнитным полем, величина магнитной индукции которого составляет 0,4-1,9 Тл.

2. Инструмент для поверхностного пластического деформирования, содержащий корпус из немагнитного материала, установленные на корпусе и соединенные между собой щечки из немагнитного материала, образующие кольцевую камеру, открытую в сторону от оси инструмента к его периферийной поверхности, источники магнитного поля, равномерно установленные на дне кольцевой камеры по ее периметру, деформирующие элементы, размещенные в кольцевой камере с возможностью пространственных колебательных перемещений, отличающийся тем, что, с целью повышения качества обработки за счет усилия результирующего воздействия деформирующих элементов, он снабжен устройством намагничивания поверхностного слоя обрабатываемой детали, выполненным в виде двух установленных на корпусе соосно с ним с наружных торцевых поверхностей щечек шайб из магнитного материала, источника магнитного поля в виде кольцевого постоянного магнита с осевой намагниченностью, установленного на корпусе соосно с ним между внутренними торцевыми поверхностями шайб и донной частью кольцевой камеры, при этом шайбы установлены с возможностью взаимодействия с торцевыми поверхностями щечек и торцевыми поверхностями кольцевого магнита.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3