Способ поверхностного пластического деформирования цилиндрических деталей
Владельцы патента RU 2753807:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский национальный исследовательский технический университет" (ФГБОУ ВО "ИРНИТУ") (RU)
Изобретение относится к способам поверхностного пластического деформирования наружных цилиндрических поверхностей деталей машин. Сообщают заготовке вращательное движение относительно собственной продольной оси. Сообщают инструменту, оказывающему давление на поверхность обрабатываемой заготовки, продольную подачу, параллельную оси заготовки, и колебательное движение в направлении, перпендикулярном оси заготовки. Деформирующим элементом упомянутого инструмента являются два плоских полукольца с плоскостью разъема, перпендикулярной продольной оси заготовки, расположенные на торцевой поверхности подпружиненного диска с рабочей поверхностью скругления. Диск шарнирно соединен с одной стороной коромысла, опирающегося на шарнирно-неподвижную опору и совершающего колебательные движение под углом, большим нуля и меньшим 90 градусов. В результате увеличивается напряженное состояние в очаге деформации заготовки. 3 ил.
Изобретение относится к способам отделочно-упрочняющей обработки наружных поверхностей вращения, основанных на поверхностном пластическом деформировании при использовании диска с торцевой рабочей поверхностью скругления, и предназначено для использования в различных отраслях металлообрабатывающей промышленности.
Из уровня техники широко известны методы обкатывания поверхностей деталей свободно вращающимися роликами или шариками, соприкасающимися с вращающейся деталью под давлением. Недостатком известных способов является сложность точной установки оси деформирующего элемента параллельно оси детали. Если осевая линия инструмента будет ниже осевой линии заготовки, то материал при деформировании будет «набегать» на инструмент и образовать дополнительную пластическую волну, которая снижает четкость контура рисунка и снижает шероховатость поверхности. Если осевая линия инструмента будет выше оси заготовки, то возникает частичное проскальзывание в зоне контакта, уменьшается глубина пластической деформации. При вибрационном обкатывании деформирующий инструмент в виде шарика быстро изнашивается, так как претерпевает трение скольжение и работает практически одной поверхностью.
Известен способ обработки цилиндрических деталей (SU № 1353596, МПК В24В 39/04, опубликовано 23.11.1987), при котором поверхностное пластическое деформирование вращающейся детали осуществляют коническим роликом с постоянным радиальным усилием при сообщении ему движения подачи вдоль оси детали, при этом пластическое деформирование осуществляют с переменным удельным давлением, причем конический ролик устанавливают перпендикулярно оси обрабатываемой детали и сообщают ему дополнительное движение подачи, перпендикулярное его основному перемещению и касательное к обрабатываемой поверхности.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются вращательное движение заготовки вокруг своей оси, продольная подача инструмента параллельна оси заготовки, подача инструмента в касательном направлении относительно заготовки.
Недостатком известного способа обработки является невозможность формирования на поверхности детали регулярного микрорельефа в виде пересекающихся волн заданной амплитуды и шага, а также их изменения в процессе работы.
Известен способ поверхностного пластического деформирования цилиндрических деталей (SU № 2657263, МПК В24В 39/04, опубликовано 09.06.2018), при котором деформирующим элементом инструмента является пластиной с боковой рабочей поверхностью скругления, при этом инструменту дополнительно сообщают колебательное возвратно-поступательное движение в направлении перпендикулярном оси заготовки в вертикальной плоскости, касательной к поверхности заготовки.
Указанный способ обработки является наиболее близким аналогом и может быть принят в качестве прототипа способа для осциллирующего обкатывания цилиндрических поверхностей.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются вращательное движение заготовки вокруг своей оси, инструменту, оказывающему давление на поверхность обрабатываемой заготовки, сообщают продольную подачу параллельную оси заготовки и колебательное движение, в направлении перпендикулярном оси заготовки.
Недостатком известного способа упрочнения является низкая степень упрочнения и глубина наклепа, а также низкая производительность процесса, так как зона пластической деформации формируется в одной локальной области.
Задача заявляемого изобретения заключается в повышении эксплуатационных свойств обработанной поверхности и повышении производительности обработки при сохранении основных достоинств метода поверхностного пластического деформирования.
Технический результат заключается в повышении качества обрабатываемой поверхности и производительности обработки за счет использования в качестве рабочего инструмента двух полуколец с разными радиусами скругления.
Указанный технический результат достигается тем, что способ поверхностного пластического деформирования тел вращения, при котором заготовке сообщают вращательное движение относительно собственной продольной оси, а инструменту, оказывающему давление на поверхность обрабатываемой заготовки, сообщают продольную подачу параллельную оси заготовки и колебательное движение в направлении перпендикулярном оси заготовки, согласно изобретению деформирующим элементом инструмента являются два плоских полукольца с плоскостью разъема перпендикулярной продольной оси заготовки, расположенные на торцевой поверхности подпружиненного диска с рабочей поверхностью скругления, шарнирно соединенного с одной стороны коромысла, опирающегося на шарнирно- неподвижную опору и совершающего колебательные движение под некоторым углом большим нуля и меньшим 90 градусов.
На фиг. 1 показана конструкция рабочего инструмента, реализующего предлагаемый способ поверхностного пластического деформирования, 1 - поперечное сечение цилиндрической заготовки, 2 - диск рабочий, 3 - блок упругих элементов, 4 - корпус, 5 - болт регулировочный, 6 - ось качания, 7 - коромысло, 8 - ось. На фиг. 2 представлена схема обработки по предложенному способу поверхностного пластического деформирования заготовки-вала, 1 - заготовка, 2 - диск рабочий, 4 - корпус, 6 - ось качания, 7 - коромысло, 9 - трехкулачковый патрон, 10 - задний центр.
Как видно из схемы обработки (фиг. 2) параметрами режима, определяющими кинематику процесса и все параметры регулярного микрорельефа, являются: частота вращения заготовки (ns), подача деформирующего инструмента (Sпр), частота осцилляции деформирующего элемента (nдв.х/мин) и амплитуда осцилляции деформирующего элемента (α). Сущность управления образованием регулярных микрорельефов состоит в том, что оно производится за счет варьирования соотношения скоростей движения заготовки и деформирующего элемента.
Режимы и параметры поверхностного пластического деформирования на основе осциллирующего движения рабочего инструмента соответствуют режимам при обкатке шариком, роликом и алмазном выглаживании. Так, профильный радиус (радиус скругления диска) инструмента R составляет 2,5-5 мм, сила прижатия инструмента R при обработке 50-300 Н, частота вращения заготовки ns = 100-1000 мин-1, амплитуда колебания α = 10-45 градусов, подача S = 0,05-0,30 мм/об, частота двойных ходов инструмента nдв.х =100-500 дв.х/мин.
Выполнение инструмента в виде двух полуколец обеспечивает равномерность износа рабочей поверхности деформирующего инструмента по его длине. Это увеличивает срок его службы, так как износу подвергается не одна локальная область как при обработке шаром, а цепочка последовательных зон. Устойчивое положение зон контакта в процессе обкатывания повышает стабилизацию и точность процесса обработки.
Колебание инструмента с амплитудой α и частотой nдв.х в вертикальном направлении вызывает колебание пятна контакта в горизонтальном направлении с такой же частотой nдв.х, что приводит к усилению искажения микроструктуры материала за счет сдвиговых процессов в зоне деформации. Использование в качестве рабочего инструмента двух полуколец с разными профильными радиусами расширяет технические возможности процесса упрочнения. Если в направлении продольной подачи поставить полукольцо с малым радиусом скругления, а затем с большим, то сначала произойдет высокая степень наклепа, а затем сглаживание микронеровностей. Если полукольца поменять местами, то вначале произойдет выглаживание микронеровностей, а затем формирование микрорельефа на гладкой поверхности.
Эффективность осциллирующего движения рабочего инструмента при упрочняющей обработке доказана экспериментально и представлена на фиг. 3. Испытание выполнены на зеренной фракции двух цветов, первоначально разделённых на две зоны с четкой границей раздела. Затем по этой границе проходил индентор с постоянным и осциллирующим движениями. Таким образом, было установлено, что использование осциллирующего движения оказывает положительное влияние на перемешивание фракций. Качественно это доказывает усиление подвижности структуры материала, рост дислокаций и повышение механических характеристик прочности материала.
Способ поверхностного пластического деформирования тел вращения, включающий сообщение заготовке вращательного движения относительно собственной продольной оси и сообщение инструменту, оказывающему давление на поверхность обрабатываемой заготовки, продольной подачи, параллельной оси заготовки, и колебательного движения в направлении, перпендикулярном оси заготовки, отличающийся тем, что инструмент, оказывающий давление на поверхность обрабатываемой заготовки, содержит деформирующий элемент в виде двух плоских полуколец с плоскостью разъема, перпендикулярной продольной оси заготовки, которые расположены на торцевой поверхности подпружиненного диска с рабочей поверхностью скругления, который шарнирно соединен с одной стороной коромысла, опирающегося на шарнирно-неподвижную опору и совершающего колебательные движения под углом, большим нуля и меньшим 90 градусов.
