Устройство для поверхностной отделочной упрочняющей обработки

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к устройствам для упрочнения деталей поверхностным отделочным упрочняющим деформированием. Устройство содержит корпус с деформирующими элементами в виде цилиндрических стержней с бойковой и контактной деформирующей частями и регулируемый нажимной механизм в виде плунжера. Между плунжером и торцами упомянутых цилиндрических стержней расположен распределительный элемент в виде слоя шариков. Диаметр шариков не превышает диаметр цилиндрических стержней. Контактная деформирующая часть цилиндрических стержней выполнена с цилиндрической полостью, в которой смонтирована вставка из упругого материала с закрепленным в ней пучком инденторов. Диаметр инденторов не превышает 2 мм. В результате повышается качество поверхности обработанного материала, формируется регулярный микрорельеф поверхностного слоя. 2 ил.

 

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к устройствам для упрочнения деталей из сталей и сплавов поверхностным отделочным упрочняющим деформированием.

Известно многостержневое устройство для упрочнения поверхностным пластическим деформированием (см. патент №2219042, В 24 В 39/04 БИ №35 (2 ч.), 2003 г.), содержащее корпус, деформирующий инструмент, гидроцилиндр статического нагружения, цилиндр с поршнем-бойком, гидропневмоаккумулятор давления, соединенный со штоковой полостью цилиндра, вращающийся распределитель с рядом напорных и сливных окон, смещенных относительно друг друга, турбинку, вращающую ротор распределителя, при этом деформирующим инструментом является пакет волноводов, выполненный в виде стержней с бойковой и контактной деформирующими ступенями, причем торцовая поверхность ступени фасонная, например сферическая. Все волноводы имеют одинаковую длину L₂, или в центре пакета может располагаться направляющий стержень длиной L'₂<L₂, не участвующий в передаче энергии удара заготовке. Волноводы цилиндрического пакета могут быть выполнены в виде цилиндров с диаметром в сечении бойковой ступени D₂₁ и контактной ступени D₂₂. Пакет волноводов имеет прямоугольную форму. Волноводы выполнены в виде цилиндров с диаметром в сечении контактной ступени d₂₂=D₂₂/(1+1/sin(2π/n), где n - количество волноводов в пакете, с осями вращения, расположенными по периметру окружности диаметром (D₂₂-d₂₂), а в центре пакета располагается направляющий стержень с диаметром (D₂₂-2d₂₂)≫d₂₂. Волноводы цилиндрического пакета могут быть выполнены в виде стержней с профилем в виде секторов кольца с центральным углом α=π, а в центре пакета располагается направляющий цилиндрический стержень с диаметром, равным внутреннему диаметру кольца. Волноводы цилиндрического и прямоугольного пакета выполнены в виде стержней с профилем в виде многогранников.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются наличие корпуса, гидроцилиндр статического нагружения, цилиндр с поршнем-бойком, деформирующим инструментом является пакет волноводов, выполненный в виде стержней с бойковой и контактной деформирующими ступенями, причем торцовая поверхность ступени фасонная.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, является отсутствие возможности эффективно осуществить без повышения глубины деформирования получение требуемой плотности и пористости при создании направленной текстуры материала поверхностного слоя обрабатываемой детали, а также устройство сложно по конструкции.

Известно устройство для поверхностной отделочной упрочняющей обработки деталей (см. авт. св. №1539051, 5 В 24 В 39/04, БИ №4, 1990), содержащее корпус с деформирующими элементами в виде цилиндрических стержней и регулируемый нажимной плунжер с распределительным элементом в виде слоя шариков, диаметр которых меньше диаметра цилиндрических стержней, с целью повышения производительности за счет повышения КПД и интенсификации процесса за счет равномерного распределения энергии удара на цилиндрические стержни, диаметр шариков составляет 0,9-0,95 диаметра цилиндрических стержней, причем в каждой группе цилиндрические стержни отличаются длиной на величину их радиуса.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются корпус с деформирующими элементами в виде цилиндрических стержней и регулируемый нажимной плунжер с распределительным элементом в виде слоя шариков, диаметр которых меньше диаметра цилиндрических стержней.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, является отсутствие возможности эффективно осуществить без повышения глубины деформирования получение требуемой плотности и пористости при создании направленной текстуры материала поверхностного слоя обрабатываемой детали.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство для поверхностной отделочно-упрочняющей обработки (см. авт. св. №1593929, 5 В 24 В 39/04, БИ №35, 1990), содержащее корпус с деформирующими элементами в виде цилиндрических стержней и регулируемый нажимной механизм в виде плунжера, распределительный элемент в виде слоя шариков, расположенный между плунжером и торцом цилиндрических стержней, с целью расширения технологических возможностей путем обработки деталей с большой кривизной и повышения надежности за счет устранения вылета стержней в процессе работы, оно снабжено закрепленной на корпусе планкой с отверстиями, диаметр которых равен диаметру стержней, а на последних выполнен участок большего диаметра, причем диаметр каждого стержня составляет 0,75-0,85 диаметра участка, отношение их длин составляет 0,55-0,75, а диаметр шариков выбирается 0,5-0,63 от диаметра участка, а корпус и планка выполнены в виде шестигранника.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются корпус с деформирующими элементами в виде цилиндрических стержней и регулируемый нажимной механизм в виде плунжера, распределительный элемент в виде слоя шариков, расположенный между плунжером и торцом цилиндрических стержней.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, является отсутствие возможности эффективно формировать регулярный микрорельеф заданной плотности и пористости на поверхности деталей, а также изменять его параметры в процессе обработки, устройство сложно по конструкции.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства для поверхностной отделочной упрочняющей обработки деформирующими элементами в виде цилиндрических стержней, позволяющего формировать регулярный микрорельеф поверхностного слоя направленной текстуры заданной плотности и пористости, не повышая глубины деформирования обрабатываемой детали, и повышение качества поверхности обработанного материала.

Технический результат заключается в том, что устройство для поверхностной отделочной упрочняющей обработки содержит корпус с деформирующими элементами в виде цилиндрических стержней с бойковой и контактной деформирующей частями, регулируемый нажимной механизм в виде плунжера и расположенный между плунжером и торцами упомянутых цилиндрических стержней распределительный элемент в виде слоя шариков, диаметр которых не превышает диаметр цилиндрических стержней, при этом контактная деформирующая часть цилиндрических стержней выполнена с цилиндрической полостью, в которой смонтирована вставка из упругого материала с закрепленным в ней пучком инденторов, диаметр которых менее 2 мм, что позволяет применить оптимальные по размеру диаметры стержней из условий степени их гибкости, дополнительно исключить зависимость формы поперечного сечения инденторов и диаметров шариков, применить контактную деформирующую часть с инденторами малого диаметра, обеспечив снижение образования валика при формировании пластического отпечатка регулярного микрорельефа, и обеспечить заданную плотность и пористость поверхностного слоя.

Предлагаемое устройство для поверхностной отделочной упрочняющей обработки поясняется чертежами, на фиг.1 представлен общий вид в разрезе, на фиг.2 - стержень с бойковой и контактной деформирующей частями со вставкой из упругого материала с закрепленным в ней пучком инденторов малого диаметра.

Устройство для поверхностной отделочной упрочняющей обработки содержит корпус 1 с деформирующими элементами в виде цилиндрических стержней 2 с бойковой и контактной деформирующей частями, регулируемый нажимной механизм в виде плунжера 3 и расположенный между плунжером и торцами упомянутых цилиндрических стержней распределительный элемент в виде слоя шариков 4, диаметр которых не превышает диаметр цилиндрических стержней 2, при этом контактная деформирующая часть цилиндрических стержней 2 выполнена с цилиндрической полостью, в которой смонтирована вставка 5 из упругого материала с закрепленным в ней пучком инденторов 6, диаметр которых менее 2 мм.

При работе устройства для поверхностной отделочной упрочняющей обработки используется явление передачи ударного импульса от плунжера 3, приводимого в движение пневмомолотком (не показано), через замкнутый объем слоя закаленных стальных шариков 4, диаметр которых не превышает диаметр цилиндрических стержней 2, упаковке стержней 2 с бойковой и контактной деформирующей частями, последняя представляет собой цилиндрическую полость, в которой смонтирована вставка 5 из упругого материала с закрепленным в ней пучком инденторов 6, диаметр которых менее 2 мм, со сферической рабочей поверхностью, которые и воздействуют на обрабатываемую поверхность.

Плунжер 3, получивший ударный импульс в направлении обрабатываемой поверхности, передает его шарикам 4, а те в свою очередь цилиндрическим стержням 2. После взаимодействия с поверхностью стержней 2 контактной деформирующей частью со вставкой из упругого материала с закрепленным в ней пучком инденторов, диаметр которых менее 2 мм, цилиндрические стержни 2 получают импульс отдачи, передают его шарикам 4, шарики - плунжеру 3. Затем процесс продолжается по той же схеме.

Замкнутый объем стальных шариков 4 обеспечивает гибкость связи плунжер 3 - упаковка стальных цилиндрических стержней 2 со смонтированными в них вставками 5 из упругого материала с закрепленными пучками инденторов 6, диаметр которых менее 2 мм, в контактной деформирующей части.

Известно, что форма поперечного сечения цилиндрического стержня 2 вносит ограничения в размер шариков 4: диаметр шарика не должен превышать минимальный габаритный размер сечения стержня 2, что является необходимым условием равномерности передачи импульса всем цилиндрическим стержням 2 пучка. Минимальный размер шарика 4 ограничивается максимально возможной величиной зазора между стержнями 2.

Данная конструкция устройства для поверхностной отделочной упрочняющей обработки позволяет за каждый динамический контакт с обрабатываемой деталью получать идентичное распределение пластических отпечатков на ее поверхности, представляющих набор последовательно расположенных ячеек с заданным отпечатком (форма отпечатка определяется набором инденторов 6, закрепленных во вставках 5 из упругого материала). Однородное кинематическое взаимосвязанное перемещение (линейное перемещение, вращение, осцилляция) системы стержней 2 с инденторами 6 относительно детали или наоборот смещает систему отпечатков единичного воздействия на некоторый шаг и формирует на обрабатываемой поверхности систему пластических отпечатков. Получаемая при этом система отпечатков и образуемый ею микрорельеф могут быть одинаково распределенными на любом участке поверхности, т.е. регулярными. В этом случае параметры микрорельефа повторяются с определенным шагом. При применении вставок 5 с различной конфигурацией расположения инденторов 6 и их сечения и разделении стержней 2, например, разделителем (не показано), представляется возможным конструктивно просто образовывать "вторичные" регулярные микрорельефы, в которых первый микрорельеф не устраняется полностью, а служит основой, базой для второго модулирующего регулярного микрорельефа за один проход. Такая обработка может быть применена для доупрочнения тонкого поверхностного слоя деталей с целью устранения или снижения подслойного максимума остаточных напряжений, когда в поверхностном слое создаются меньшие по величине, чем на глубине, сжимающие или растягивающие напряжения.

При формировании пластического отпечатка вокруг углубления образуется валик из некоторой части вытесненного материала. При анализе его увеличенного изображения отмечаются на поверхности следы интенсивной пластической деформации, приводящей к выходу на поверхность множественных линий скольжения и характерных складок. Образующийся валик играет отрицательную роль, так как это материал с нарушенной сплошностью передеформированный. Накопление ударов приводит к опасному росту валика. Отмеченное явление в основном присуще для бронзы.

Чем больше радиус сферы индентора, тем быстрее исчерпывается резерв пластичности, что связано малостью прикладываемой энергии деформации в диапазоне воздействия на деталь.

Обработка же инденторами малого диаметра позволяет существенно улучшить напряженное состояние поверхностного слоя.

Поскольку взаимное расположение лунок на обрабатываемой поверхности зависит от взаимного расположения инденторов в пучке и закона его перемещения относительно поверхности, следовательно, взаимное расположение стержней 2 в устройстве для поверхностной отделочной упрочняющей обработки зависит только от их диаметров. Однако на практике диаметр стержней 2 из-за потери осевой устойчивости не должен быть меньше 2 мм. Следует отметить, что максимальный диаметр шариков 4 ограничен диаметром используемых стержней 2. Необходимо, чтобы на торец каждого стержня 2 воздействовал хотя бы один шарик 4. Следовательно, диаметр шариков не должен превышать диаметр стержней 2.

Сущность предлагаемого устройства для поверхностной отделочной упрочняющей обработки заключается в том, что осуществляется возможность за один проход осуществлять наложение одного регулярного рельефа на другой. При этом задавать форму отпечатков в виде ячеек постоянной или переменной плотности. Исключить зависимость формы поперечного сечения стержней 2 и диаметров шариков 4. При этом обеспечить формирование микрорельефа за один проход инструмента на каждом участке поверхности, не превышающем по размерам габаритные размеры рабочей зоны, обеспечив высокую точность параметров получаемого микрорельефа, улучшить напряженное состояние напряженного слоя за счет уменьшения диаметров инденторов 6. И самое важное, осуществляется возможность, за счет выполнения контактной деформирующей части стержней 2 в виде цилиндрической полости, в которой смонтирована вставка 5 из упругого материала с закрепленным в ней пучком иденторов 6, диаметр которых менее 2 мм, уменьшить длину самих инденторов 6 и, следовательно, применить диаметр инденторов 6 меньше 2 мм, с возможностью применения оптимальных по размеру стержней 2 из условий степени их гибкости.

Это позволяет повысить резерв пластичности и обеспечить повышение удельной энергии, прикладываемой к поверхности, без увеличения мощности самого инструмента в целом, обеспечить снижение образования валика при формировании пластического отпечатка, особенно для бронз. Дополнительно добиться помимо упрочнения еще и уплотнения поверхностного слоя и закрытия макропор, что снижает возможность проникновения активных сред в глубь металла. Также имеется возможность простой и легкой замены контактной деформирующей части.

Использование устройства для поверхностной отделочной упрочняющей обработки в целом позволяет создать частично регулярные микрорельефы, представляющие собой систему непрерывно или дискретно расположенных углублений, между которыми остается исходный стохастический микрорельеф. Также обеспечить создание на рабочих поверхностях деталей машин различных углублений, играющих роль "смазочных карманов", предназначенных для повышения маслоемкости и маслоудерживающей способности высокогладких поверхностей. Это позволяет значительно повысить износостойкость и долговечность узлов трения, а также увеличить прирабатываемость и сопротивление схватыванию.

Как отмечалось ранее, учитывая, что создание регулярного микрорельефа многоинденторными системами позволяет обеспечить достаточно высокую однородность всех геометрических параметров, функционально связанных с конструктивными параметрами многоинденторной системы и режимами обработки, конструктор может нормировать параметры микрорельефа, задавая их на основе аналитического расчета или эксперимента через параметры обработки. Число элементов регулярного микрорельефа на единицу площади N также является управляемым параметром и определяется конструктивными характеристиками инструмента, при этом исключается необходимость их измерения с помощью приборов.

Получение регулярного микрорельефа с применением предложенного устройства позволяет на рабочей поверхности деталей пар трения улучшить их прирабатываемость, износостойкость, плавность хода, герметичность уплотнительных пар гидросистем (в частности, ресурс уплотнительной пары манжета - вал повышается в до 4 раз), прочность неподвижных соединений. Дополнительно позволяет снизить требования на шероховатость поверхности, заменить такие трудоемкие операции, как доводка, шабрение, хонингование, полирование, нанесение покрытия.

Предложенное упрочнение поверхностного слоя пластическим деформированием способствует повышению контактной выносливости и износостойкости деталей, упрочняющий наклеп в данном случае наиболее эффективен для изделий из материалов повышенной пластичности: алюминиевых сплавов; также изделий из бронз для эффективной защиты в коррозионно-активных средах, а для декоративных изделий, выполненных из бронз, от атмосферного воздействия. Это объясняется уплотнением поверхностного слоя и закрытием макропор для проникновения активных сред в глубь металла.

Предложенное изобретение обеспечивает расширение области применения упрочняющей обработки и увеличение производительности.

Устройство для поверхностной отделочно-упрочняющей обработки, содержащее корпус с деформирующими элементами в виде цилиндрических стержней с бойковой и контактной деформирующей частями, регулируемый нажимной механизм в виде плунжера и расположенный между плунжером и торцами упомянутых цилиндрических стержней распределительный элемент в виде слоя шариков, диаметр которых не превышает диаметр цилиндрических стержней, отличающееся тем, что контактная деформирующая часть цилиндрических стержней выполнена с цилиндрической полостью, в которой смонтирована вставка из упругого материала с закрепленным в ней пучком инденторов, диаметр которых менее 2 мм.