Способ поверхностного пластического деформирования и инструмент для его осуществления

 

Использование: упрочняющая обработка маложестких деталей машин. Сущность изобретения: при поверхностном пластическом деформировании (ППД) деформирующие элементы (ДЭ) помещают в полость обрабатываемой детали, сообщают им вращательное и пространственное колебательное движение посредством магнитного поля, а на поверхностный слой обрабатываемого изделия воздействуют переменным магнитным полем, направление магнитных линий которого периодически изменяют на 180^o с частотой ω =4-1650 C^-1. Инструмент для осуществления указанного способа ППД содержит корпус из немагнитного материала, щечки из немагнитного материала, образующие кольцевую камеру для ДЭ, открытую в направлении от оси корпуса к его периферийной поверхности. ДЭ смонтированы с возможностью вращения и пространственных колебательных перемещений. Источники магнитного поля расположены на дне упомянутой камеры. Узел магнитного воздействия на поверхностный слой обрабатываемого изделия выполнен в виде промежуточной втулки, установленной концентрично корпусу, равномерно расположенных по периметру корпуса в чередующемся порядке пластин из магнитного и немагнитного материала, призматических магнитов с осевой намагниченностью. Призматические магниты размещены в отверстиях промежуточной втулки, параллельных ее продольной оси. Смежные призматические магниты повернуты друг относительно друга на 180^o и обращены к каждой из щечек разноименными полюсами 2 с.п.ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к области поверхностного пластического деформирования и может быть использовано для упрочняющей обработки отверстий маложестких деталей машин, изготовленных из магнитных материалов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к изобретению относится способ поверхностного пластического деформирования, при котором деформирующие элементы помещают в полости обрабатываемой заготовки, сообщают им вращательное движение посредством магнитного поля вокруг оси поверхности и обеспечивают периодический контакт с этой поверхностью, перемещают деформирующие элементы вдоль оси заготовки (авт.св. по заявке N 4400120/25-27).

Известен и инструмент для осуществления способа, содержащий корпус, изготовленный из немагнитного материала, замкнутые щечки с отверстием, образующие кольцевую камеру, открытую в направлении от оси инструмента к его периферийной поверхности и выполненные из немагнитного материала, источники магнитного поля, установленные на дне кольцевой камеры, равномерно по окружности, деформирующие элементы, установленные в кольцевой камере с возможностью осуществления пространственных колебательных перемещений (там же).

К недостаткам указанного способа и инструмента для его осуществления следует отнести то, что велико сопротивление деформированию металла упрочняемой детали. В связи с этим для достижения заданных чертежом характеристик упрочнения поверхности детали требуется значительное увеличение времени воздействия деформирующих элементов с элементарным участком обрабатываемой поверхности детали. Производительность обработки при этом снижается.

Цель изобретения повышение производительности обработки за счет снижения сопротивления деформированию металла упрочняемой детали.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе для поверхностного пластического деформирования, при котором деформирующие элементы помещают в полость обрабатываемой заготовки, сообщают им вращательное движение посредством магнитного поля вокруг оси поверхности и обеспечивают периодический контакт с этой поверхностью, перемещают деформирующие элементы вдоль оси заготовки, согласно изобретению, на упрочняемый поверхностный слой детали воздействуют переменным магнитным полем, направление магнитных линий которого периодически изменяют на 180^o с частотой ω4-1650 с^-1.

Поставленная цель достигается и тем, что для осуществления способа используют инструмент для отделочно-упрочняющей обработки, содержащий корпус, изготовленный из немагнитного материала, замкнутые щечки с отверстием, образующие кольцевую камеру, открытую в направлении от оси инструмента к его периферийной поверхности и выполненные из немагнитного материала, 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 перемагничивания зоны деформирования, выполненным в виде последовательных и равномерно расположенных по окружности пластин из магнитного и немагнитного материала, промежуточной втулки и призматических двухполюсных магнитов с осевой намагниченностью, при этом пластины контактируют торцовыми поверхностями с торцовыми поверхностями щечек инструмента, промежуточная втулка установлена в отверстии щечек, соосно корпусу инструмента, призматические магниты установлены в отверстиях промежуточной втулки, равномерно по окружности, параллельно продольной оси инструмента, количество призматических магнитов равно числу магнитных пластин, угловое расположение магнитных пластин и призматических магнитов идентично, торцовые поверхности призматических магнитов и магнитных пластин взаимодействуют между собой, смежные призматические магниты повернуты друг относительно друга на 180^o и обращены к каждой из щечек инструмента разноименными полюсами.

Такое выполнение способа и инструмента для его осуществления обеспечивает снижение сопротивления деформированию металла упрочняемой детали. Производительность процесса поверхностного пластического деформирования поверхности при этом возрастает.

На фиг. 1 изображен общий вид инструмента для осуществления способа; на фиг. 2 сечение А-А по фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б-Б по фиг. 1.

Инструмент для осуществления способа содержит корпус 1, изготовленный из немагнитного материала, замкнутые щечки 2, 3 с отверстием 4, образующие кольцевую камеру 5, открытую в направлении от оси 6 инструмента к его периферийной поверхности и выполненные из немагнитного материала. Инструмент содержит источники магнитного поля 7, установленные на дне кольцевой камеры 5, равномерно по окружности, деформирующие элементы 8, установленные в кольцевой камере 5 с возможностью осуществления пространственных перемещений.

Инструмент снабжен устройством перемагничивания зоны деформирования обрабатываемой детали, выполненным в виде последовательно и равномерно расположенных по окружности пластин 9 из магнитного и пластин 10 из немагнитного материала, промежуточной втулки 11 из немагнитного материала и призматических двухполюсных магнитов 12 с осевой намагниченностью. Пластины 9, 10 контактируют торцовыми поверхностями щечек 2, 3, промежуточная втулка 11 установлена в отверстии 4 щечек 2, 3, соосно корпусу 1 инструмента. Призматические магниты 12 установлены в отверстиях 13 промежуточной втулки 11, равномерно по окружности, параллельно продольной оси 6 инструмента. Количество призматических магнитов 12 равно числу магнитных пластин 9, угловое расположение пластин 9 и призматических магнитов 12 идентично, торцовые поверхности призматических магнитов 12 и магнитных пластин 9 взаимодействуют между собой. Смежные призматические магниты 12 (см. фиг. 2, 3) повернуты друг относительно друга на 180^o и обращены к каждой из щечек 2, 3 инструмента разноименными полюсами.

Деталь 14 из магнитного материала устанавливают в парроне, а корпус 1 инструмента в шпинделе 15 станка. Посредством осевого перемещения корпуса 1 деформирующие элементы 8 вводят в отверстие обрабатываемой детали 14. Силовые линии магнитного поля (магнитные линии) от полюсов призматических магнитов 12 проходят через магнитные пластины 9 и замыкаются через поверхностный слой детали 14. При этом направление силовых магнитных линий (на фиг. 1 показано условно тонкой линией со стрелкой) по часовой стрелке, если призматический магнит 12 имеет северный полюс (N) со стороны левой щечки (щечка 2), а южный полюс (S) со стороны правой щечки (щечка 3). При этом магнитные линии (от призматического магнита 12), проходящие через деталь 14, направлены слева направо. Так как смежные магниты 12 повернуты друг относительно друга на 180^o, то замыкаемые (посредством магнитных пластин 9) от следующего, смежного призматического магнита 12 направлены против часовой стрелки и проходят через деталь 14 в направлении справа налево, т.е. повернуты на 180^o (так как у смежного призматического магнита 12 уже у левой щечки 2 расположен южный полюс (S), а у правой щечки 3 северный полюс (N).

В связи с этим на отдельные участки детали 14 действуют магнитное поле с "левым" и "правым" направлением магнитных линий.

Корпусу 1 инструмента сообщают вращательное движение и перемещают вдоль обрабатываемой поверхности. При этом на поверхностный слой обрабатываемой детали действует переменное магнитное поле (от призматических магнитов 12), направление магнитных линий которого периодически изменяется на 180^o. Частота изменений направления магнитного поля связана с частотой вращения инструмента следующей зависимостью: ω = 2πn·k;C^-1 где ω частота изменения направления магнитного поля; n частота вращения шпинделя (частота вращения инструмента); K число магнитных пластин, расположенных у каждой из щечек инструмента.

Одновременно на деформирующие элементы 8 периодически действует магнитное поле от магнитов 7, расположенных на дне кольцевой камеры 5, равномерно по окружности. Под действием магнитного поля от магнитов 7 деформирующие элементы 8 периодически разгоняются в окружном направлении кольцевой камеры 5 (а следовательно, вокруг оси поверхности детали 14) и сталкиваются с обрабатываемой поверхностью детали 14, осуществляя ее динамическое упрочнение. Действующее на упрочняемую поверхность детали 14 переменное магнитное поле от призматических магнитов 12 благоприятно воздействует на процесс поверхностного пластического деформирования, так как снижает коэффициент трения на границах кристаллических зерен деформируемого металла и способствует размножению дислокаций в деформируемом металле. В результате сопротивление деформированию металла упрочняемой детали снижается, а производительность поверхностного пластического деформирования поверхности существенно повышается.

На сопротивление деформированию металла упрочняемой детали существенное влияние оказывает частота изменения направления магнитных линий, действующего на поверхностный слой обрабатываемой детали. Полученные экспериментальные данные влияния частоты изменения направления магнитных линий, действующего на очаг деформации магнитного поля, представлены в таблице.

Анализ экспериментальных исследований (см. таблицу) показывает, что изменение направления магнитных линий с частотой менее 4 с^-1 не оказывает влияния на процесс поверхностного пластического деформирования. Изменение направления линий магнитного поля с частотой 4 1650 с^-1 приводит к повышению производительности процесса поверхностного пластического деформирования вследствие снижения сопротивления деформированию металла упрочняемой детали (производительность обработки определяется величиной подачи). Повышение частоты изменения направления линий магнитного поля более 1600 с^-1 снижает производительность поверхностного пластического деформирования поверхности, так как "блокирует" размножение дислокаций в металле упрочняемой детали.

В качестве примера конкретного выполнения можно привести обработку отверстия втулки из стали 35 (HB 200-220) на станке мод. 16К20, оснащенном специальным шпинделем.

Диаметр обработки 200 мм; длина обработки 400 мм. В качестве деформирующих элементов использовали шарики диаметром 12 мм (ШХ15, HRC_э 62).

Ширина магнитных и немагнитных пластин 20 мм; количество магнитных пластин у каждой из щечек инструмента 4 шт. Материал магнитов SmCo₅. Величина магнитной индукции магнитов, установленных на дне кольцевой камеры инструмента, 0,2-1,5 Тл. Магнитная индукция призматических магнитов, установленных параллельно оси инструмента, 0,6-1,8 Тл. Зазор между периферией пластин и обрабатываемой поверхностью детали 0,2-2 мм.

Режимы обработки Скорость вращения шпинделя 50-2000 об/мин Охлаждение Масло индустриальное Представленные в таблице экспериментальные данные показывают, что предложенный способ и инструмент для его осуществления обеспечивают повышение подачи, а следовательно, производительности обработки, от 1,1 до 11,4 раз, при достижении шероховатости поверхности R_а=0,63-0,32 мкм; глубины упрочнения 0,35 мм; степени упрочнения 25% остаточных напряжений сжатия 80-90 мПа.

Формула изобретения

1. Способ поверхностного пластического деформирования, заключающийся в обработке внутренней поверхности детали деформирующими элементами, которым сообщают вращательное движение относительно оси детали и обеспечивают периодический контакт с обрабатываемой поверхностью посредством магнитного поля, при этом деформирующие элементы перемещают вдоль обрабатываемой поверхности, а на поверхностный слой обрабатываемой детали дополнительно воздействуют магнитным полем, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности за счет снижения сопротивления деформированию металла обрабатываемой зоны детали, на поверхностный слой воздействуют переменным магнитным полем, направление магнитных линий которого периодически изменяют на 180^o с частотой 4 1650 с^-1.

2. Инструмент для поверхностного пластического деформирования, содержащий корпус из немагнитного материала, установленные в корпусе щечки, образующие кольцевую камеру, открытую в направлении от оси корпуса к его периферийной поверхности, и выполненные из немагнитного материала, источники магнитного поля, расположенные равномерно по окружности на дне кольцевой камеры, деформирующие элементы, установленные в кольцевой камере с возможностью пространственных колебательных перемещений, узел магнитного воздействия на поверхностный слой обрабатываемой детали, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности за счет снижения сопротивления деформированию металла обрабатываемой детали, узел магнитного воздействия на поверхностный слой выполнен в виде промежуточной втулки из немагнитного материала с равномерно расположенным по ее периметру продольными отверстиями, равномерно расположенных по периметру корпуса в чередующемся порядке пластин из магнитного и немагнитного материала, смонтированных с возможностью взаимодействия с торцевыми поверхностями щечек, призматических двухполюсных магнитов в количестве, соответствующем количеству пластин из магнитного материала, имеющих осевую намагниченность и установленных в отверстиях втулки, при этом угловое положение пластин из магнитного материала и призматических магнитов идентично, смежные призматические магниты расположены относительно друг друга под углом 180^o и обращены к каждой из щечек разноименными полюсами, а в щечках выполнены отверстия, в которых размещена промежуточная втулка, установленная концентрично с корпусом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4