СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C21D8/00 

Изобретение относится к технологии объемного упрочнения и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности, где большое значение имеют характеристики и свойства материала, например, при изготовлении режущего инструмента, технологической оснастки, различных металлических деталей.

Известны прогрессивные способы обработки инструмента, в том числе и термоультразвуковая обработка, позволяющая повысить свойства инструментальных материалов, расширить возможности известных быстрорежущих сталей, при этом эффект от ультразвукового воздействия зависит от многих факторов: способа передачи ультразвуковых колебаний обрабатываемому изделию, мощности ультразвуковой волны, температуры изделия, длительности ультразвуковой обработки и ее места в технологическом процессе термической обработки (закалка, отпуск и т.п.).

Так, например, в способе термической обработки стальных изделий, преимущественно штампов, по а.с. N589264,МКИ- C 21 D 1/04, изделие подвергают воздействию ультразвука, затем нагревают до 0,4 0,6 Т пл. и выдерживают для прохождения первичной рекристаллизации, после чего нагревают до температуры аустенизации, выдерживают, закаливают и отпускают. Воздействие ультразвука в описанной технологии способствует повышению ударной вязкости и разгаростойкости материала.

Известен способ по а.с. N 1234440, МКИ C 21 D 1/04, 1/78, в котором с целью сокращения продолжительности термической обработки используется определенный вид ультразвуковых колебаний, выбрана их амплитуда.

Известен также способ термической обработки стальных изделий по а.с. N 1306968, МКИ C 21 D 1/04, в котором с целью повышения твердости и износостойкости путем уменьшения доли остаточного аустенита, образец повергается закалке при 1000^oC, а затем воздействуют ультразвуковыми колебаниями с частотой 19,5 кГц при комнатной температуре.

Общим признаком для всех вышеописанных способов, а также и других известных, является то обстоятельство, что изделие подвергаются воздействию ультразвука в процессе термической обработки, относящейся к традиционным способам объемного упрочнения. Однако, постоянное повышение интенсивности процессов в металлообработке предъявляют повышенные требования к качеству, в первую очередь режущего инструмента, которое определяет во многом производительность станков, себестоимость механической обработки в целом.

Поэтому разработка новых способов упрочнения продолжает оставаться актуальной задачей и предполагает изыскание резервов дополнительного упрочнения материала к тому известному эффекту объемного упрочнения, который достигается в процессе термической обработки, в т.ч. и с применением ультразвука.

Наиболее близким по технической сущности является выбранный за прототип способ обработки режущего инструмента по а. с. N 836134 МКИ C 21 D 1/04, включающий нагрев готового инструмента до заданной температуры и изотермическую выдержку инструмента путем циклического возбуждения ультразвуковых колебаний, при этом инструмент нагревают до 40- 150^oC и выдерживают в акустическом (ультразвуковом поле) 1-20 мин. В описанном способе нагрев до заданной температуры осуществляется не от внешнего источника, а от реализации сдвиговых процессов в структуре металла под действием ультразвуковых колебаний. Поэтому общие с заявленным способом признаки носят характер формального совпадения.

К недостаткам известного способа относится ограниченность его технологических возможностей, т.к. он не обеспечивает дополнительное упрочнение инструмента в плане повышения твердости и износостойкости, а воздействие ультразвука использовано для косвенной оценки эффекта снятия напряжений в инструменте.

Кроме того, весьма проблематична реализация известного способа, причем принципиально сложены все устройства для реализации ультразвуковой обработки, что связано с природой ультразвуковых генераторов, условиями передачи и распространения ультразвуковых колебаний (в частности, требование надежности акустического контакта через жидкость или непосредственно с излучателем), что снижает эффективность использования ультразвуковой обработки.

Известны установки для ультразвуковой и термоультразвуковой обработки инструмента как индивидуальной, так и массовой, с непосредственным (через волновод) креплением к источнику ультразвука и с погружением изделия в контактную жидкость, в которой распространяются ультразвуковые колебания.

Так, например, известна выбранная за прототип полуавтоматическая установка ( В. С. Биронт Применение ультразвука при термической обработке металлов, -М. Металлургия,с. 155 156), представляющая собой комплекс термического и ультразвукового оборудования, объединенного транспортной системой (пневмомеханической), обеспечивающей цикл перемещения обрабатываемых деталей в рабочем пространстве печей, подъем их из печей и возврат приспособлений к месту загрузки. Установка снабжена двумя ваннами с приборами теплового контроля, восемью магнитострикционными преобразователями, и восемью парами излучающих и отражающих волноводов и другими элементами.

Установка сложна. Кроме того, она реализует вариант ультразвуковой обработки и к ней относятся все вышеназванные недостатки.

Цель изобретения состояла в разработке способа и установки для упрочнения металлических изделий, преимущественно режущего инструмента и технологической оснастки, позволяющих повысить твердость и износостойкость, а также другие характеристики материала, при одновременном упрощении реализации.

Поставленная цель достигается тем, что в способе упрочнения металлических изделий, преимущественно режущего инструмента и технологической оснастки, включающем нагрев готового инструмента до заданной температуры и последующую обработку в акустическом поле, готовый инструмент или заготовку, предварительно прошедшую термообработку, перед ее заточкой нагревают в зависимости от материала до 140-300^oC и при достижении прогрева по всему объему подвергают в процессе охлаждения на воздухе, воздействию механических колебаний звуковой частоты 100-3000 Гц, мощностью 170-180 дБ, которые генерируют с помощью необратимого акустического преобразователя типа звуковой сирены непрерывно в течение 3 20 мин, в зависимости от габаритов инструмента.

Поставленная цель достигается также тем, что в установке для упрочнения металлических изделий, содержащей комплекс термического и акустического узлов, соединенных транспортной системой, акустический узел выполнен в виде устройства для излучения звука типа звуковой сирены, форкамера которой разделена перфорированной перегородкой и имеет в рабочей боковой стенке щелевое сопло с регулирующим элементом, а открытая сверху резонаторная камера, контактирующая с рабочей стенкой форкамеры, снабжена модулятором, установленным на опоре напротив щелевого сопла соосно с ним, при этом регулирующий элемент установлен с возможностью перемещения и фиксации в вертикальной плоскости относительно щелевого сопла, а модулятор с возможностью перемещения и фиксации в горизонтальной плоскости на различных расстояниях от щелевого сопла, причем модулятор выполнен в виде одного из двух съемных ножей, представляющих собой клиновую поверхность с одинаковым углом "α" клина и соответственно прямой и овальной передней гранью клина, и опора модулятора и регулирующий элемент выполнен в виде клиновых поверхностей, соответственно с углами "β" и "γ" клина, где α<β<γ с целью перемещения и фиксации относительно щелевого сопла, в модуляторе, опоре и регулирующем элементе выполнены овальные пазы.

Обоснование существенности отличий способа.

Совокупность отличительных признаков заявленного способа, а именно:
нагрев до 140 300^oC готового инструмента после термической обработки по серийной технологии, в сочетании с последующей обработкой в звуковом поле, параметры и условия создания которого отражены в формуле изобретения не известна.

Известен способ повышения качества режущего инструмента, заключающийся в ультразвуковой обработке его после полного цикла термической обработки (закалка, отпуск и др.), причем воздействие ультразвуком осуществляется как при комнатной температуре, так и в процессе отпуска (Там же,с.126-127).

Известная ультразвуковая обработка готового инструмента имеет иную природу влияния на структуру стали и как следствие иной эффект.

Действительно, во-первых, в названном источнике информации рассмотрены другие температурные режимы:
воздействие ультразвуком на готовый инструмент при комнатной температуре, т.е. без нагревания;
воздействие на готовый инструмент ультразвуком при отпуске.

Под отпуском понимается нагрев закаленной стали до температур ниже критической (≈727^oC), при этом различают отпуск при низких температурах ≈ 350-400^oC и высоких до 727^oC (Там же,с. 115). Таким образом, в заявленном способе операция нагрева в интервале от 140-300^oC не является собственно отпуском инструмента, тем более, что при отпуске большое значение имеет различие в температурно-временных условиях его проведения (скорость нагрева, время выдержки), при этом отпуск обычно производится в определенной среде. В заявленном способе значение имеет лишь прогрев изделия по всему объему до заданной температуры. Воздействие звуковым полем на изделие осуществляется без контакта (непосредственного или через жидкую среду) с излучателем и в процессе охлаждения изделия на воздухе. Такая совокупность режимов не известна. Кроме того, заявленный способ отличается диапазоном акустических колебаний, которыми воздействуют на изделие. Использование механических колебаний звуковых частот (100 3000 Гц) для повышения твердости и износостойкости не известно.

Отличием заявленного способа являются и величины мощности и времени воздействия звуковых колебаний в совокупности с выбором их источника типа звуковой сирены, что в целом не известно заявителю из технического уровня.

Существенность отличия заявляемого способа подтверждается экспериментальными данными.

Таким образом, в заявленном способе из спектра недостаточно излученных влияний акустического воздействия на свойства материала, выявлена совокупность признаков, дающая новый положительный эффект дополнительный к известным -увеличение твердости и износостойкости изделий, в частности, режущего инструмента.

Обоснование существенности отличий установки для упрочнения металлических изделий.

Известные устройства для излучения звука типа звуковых сирен, применяемые на маяках, суднах, в системах оповещения об опасности, в отличие от пьезоэлектрических и магнитострикционных преобразователей являются необратимыми акустическими преобразователями, и в этом смысле служат аналогом устройству для излучения звука в заявленной установке. Однако, звуковая сирена в традиционном исполнении это устройство для получения звуковых и ультразвуковых колебаний посредством прерывания струи воздуха или пара модуляторомcя, вращающимся диском с отверстиями и др.(например, а.с. N 605231, I0K7/12), при этом в известных газодинамических сиренах сжатый воздух, поступая из форкамеры через сопла, взаимодействует с модулятором и его отверстиями и генерирует акустические колебания. Конструкции известных устройств для излучения звука отличаются выполнением модуляторов (а. с. N 669378 I0K7/02), расположением сопел (а.с. N 605231, I0K7/12), наличием резонаторов (а.с. N 1474732 G 10 K 7/02).

Однако, в связи с тем, что целями этих устройств излучения звуковых колебаний являются:
регулировка интенсивности звукового излучения;
повышение точности и надежности получения заданного спектра акустического излучения и т. п. конструкции их усложнены и не пригодны для использования при решении поставленной задачи дополнительного упрочнения материала после термической обработки, кроме того, сложны системы управления приводом модулятора этих устройств.

В заявленном устройстве совокупность таких признаков как выполнение форкамеры, резонансной камеры, щелевого сопла с регулирующим элементом, модулятора на опоре, взаимное расположение всех этих элементов и геометрия, записанных в формуле изобретения, не известна и дает новый положительный эффект.

На фиг. 1 изображен вид устройства для получения звука; на фиг. 2 вид этого устройства в плане; на фиг. 3, 5 вид ножей модулятора; на фиг. 4, 6 - вид ножей модулятора в плане; на фиг. 7 вид регулирующего элемента; на фиг. 8 вид регулирующего элемента в плане; на фиг. 9 вид опоры; на фиг. 10 - вид опоры в плане; на фиг. 11 -общий вид установки, реализующий способ упрочнения металлических изделий.

Установка для упрочнения металлических изделия содержит устройство для излучения звука, имеющее форкамеру 1, соединенную с системой 2 подачи сжатого воздуха и с системой 3 контроля давления в форкамере.

Форкамера 1 представляет собой металлическую емкость с перфорированной перегородкой 4 (диафрагмой) и рабочей боковой стенкой, в которой выполнено щелевое сопло 5 и закреплен регулирующий элемент 6 с овальными пазами, установленный посредством их с возможностью перемещения и фиксации в вертикальной плоскости относительно щелевого сопла 5 для настройки последнего на определенный размер.

Система 2 подачи сжатого воздуха состоит из трубопроводов, соединяющих промышленную магистраль сжатого воздуха давлением 4,5 6 атм (кгс/см²) через запорный вентиль (редуктор).

Система 3 контроля давления в форкамере 1 состоит из гайки, приваренной в крышке форкамеры, удлинителя и манометра, показывающего давление воздуха в процессе работы установки.

Устройство для получения звука выполнено с резонаторной камерой 7, контактирующей с рабочей стенкой форкамеры 1 так, что сопловая щель 5 находится на уровне проточек, выполненных на верхней открытой стороне резонаторной камеры 7. Вдоль открытой стороны резонаторной камеры 7 соосно с щелевым соплом 5 установлен модулятор, выполненный в виде одного из двух съемных ножей 8, 9, представляющих собой клиновую поверхность с одинаковым углом "α" клина равным 10^o и соответственно прямой (фиг. 3, 4) и овальной (фиг. 5, 6) передней гранью. Модулятор установлен на опоре 10 с возможностью перемещения и фиксации в горизонтальной плоскости на различных расстояниях от щелевого сопла 5 с помощью выполненных в ножах 8, 9 и опоре 10 овальных отверстий. Аналогичные овальные отверстия выполнены и в регулирующем элементе 6, причем закрепленная на передней стенке резонаторной камеры 7 опора 10 и регулирующий элемент 6 представляют собой клиновые поверхности, соответственно с углом клина β=45^° и γ=60^° так, что выполняется соотношение α<β<γ, при котором обеспечивается диапазон частотных характеристик звукового поля, установленный экспериментально.

Для осуществления соосного расположения модулятора 8, 9 напротив щелевого сопла 5 предусмотрена прокладка 11.

Датчик звукового давления, с помощью которого производится настройка установки на рабочий режим в процессе накладки, а также другие контрольные приборы соединены с резонаторной камерой 7 через переходной штуцер 12 (гнездо), расположенный в днище резонаторной камеры.

В состав установки для упрочнения металлических изделий входит нагревательное устройство 13 с автоматической регулировкой температуры, например электропечь сопротивления.

Устройство 14 для излучения звука (фиг. 11) и нагревательное устройство 13 соединены транспортной системой 15, в качестве которой может служить, например, наклонный склиз, манипулятор, транспортер и др.

Изделие из нагревательного устройства 13 в резонаторную камеру 7 можно транспортировать (переносить) и загружать вручную.

Для нагревания изделий (инструмента, деталей) в электропечи 13 с последующей загрузкой их в резонаторную камеру 7 через ее верхнюю открытую полость предусмотрена оснастка (не показана).

Конструктивным вариантом является выполнение боковой стенки резонаторной камеры 7 с возможностью открывания для загрузки через нее инструмента.

В этом случае предусмотрено обеспечение герметичности камеры (не показано) по плоскости контакта боковой стенки с резонаторной камерой 7. Устройство 14 для излучения звука установлено на звукоизолирующее основание из звукопоглощающего материала, например резины (не показано).

На заявленной установке упрочняется как отдельный инструмент,так и партии с использованием соответствующей оснастки в виде кассет, бенкеров для засыпки мелкого инструмента. Установка легко встраивается в автоматический режим, возможна механизированная транспортировка изделий на технологические позиции: в нагревательное устройство 13 и в резонаторную камеру 7.

Способ упрочнения металлических изделий осуществляется следующим образом. Производят наладку установки, для чего в фотокамеру 1 через запорный вентиль системы 2 подают сжатый воздух, при этом рабочее давление в форкамере 1 фиксируют манометром. При давлении в магистрали 4,5 -6 атм (кгс/см²), рабочее давление составляет 1,5-2 атм. С помощью перемещения в вертикальной плоскости регулирующего элемента 6 и фиксации его в определенном положении относительно сопла 5, определяющем его размер, а также после перемещения и фиксации на определенном расстоянии от сопла 5 модулятора 8, 9, устанавливают рабочие параметры акустического (звукового) поля в резонаторной камере 7. При этом для получения частоты до 2000 Гц устанавливают модулятор 8, т.е. нож с прямой передней гранью, для получения частоты до 3000 Гц модулятор 9, т.е. нож с овальной передней гранью клина.

Звуковое давление (мощность) в резонаторной камере 7 определяют с помощью подключенного к ней через гнездо 12 в дне датчика звукового давления, которое должно составлять 170-180 дБ, а частоту звукового поля устанавливают 100-3000 Гц (для сравнения ультразвуковой диапазон до 20000 Гц).

Таким образом, технологические параметры обработки в звуковом поле имеют разные величины и зависят от марки материала, габаритов изделия и параметров, полученных в результате термообработки (твердость и др.). После установления необходимых параметров звукового поля, соответствующих обрабатываемым изделиям, системы 2 подачи воздуха отключают.

Перед проведением обработки изделий (инструмента, деталей) в звуковом поле их помещают в нагревательное устройство 13 (печь), предварительно закрепив в оснастке, при этом в зависимости от материала изделия температуру нагрева устанавливают 140-300^oC. Температура подогрева для конкретных марок материалов приведена в таблице режимов обработки.

Время выдержки изделий в печи зависит от его поперечного сечения (инструмента, детали) и составляет для толщины до 8 мм 10 мин, для толщины более 8 мм 15-20 мин. После выдержки в печи 13 инструмент, закрепленный в оснастке, переносится (в течение 3-7 с) и загружается в рабочий объем резонаторной камеры 7 через ее верхнюю открытую полость (упрочняемый инструмент не должен занимать объем резонаторной камеры более чем на 35%), после чего в резонаторную камеру 7 через сопловую щель 5 форкамеры 1 подают сжатый воздух, который, взаимодействуя с модулятором 8, 9, генерирует звуковое поле (механические колебания) в резонаторе 7, где уже находится обрабатываемый инструмент, нагретый до 140-300^oC. Время обработки в звуковом поле составляет 3-10 мин и зависит от габаритов садки инструмента, марки материала (см. таблицу режимов обработки).

Одновременно с воздействием на инструмент (детали) звуковыми колебаниями в резонаторной камере 7 происходит его охлаждение на воздухе.

Обработанный звуковым полем инструмент через 20-14 ч после обработки готов к эксплуатации.

Обработку в звуковом поле проходит как готовый инструмент, так и заготовки после термической обработки перед заточкой.

Физико-химические явления, протекающие при выполнении заявленного способа, можно пояснить следующим образом.

Известно, что присутствие карбидов в стали, образованных при соединении большинства легирующих элементов с углеродом, оказывает влияние на свойства стали, в частности, это относится к быстрорежущей стали. При термической обработке изменяется тип карбида, химический состав, величина и характер их расположения, поэтому различны исходные структуры карбидов, полученных при разных температурно-временных режимах закалки, отпуска, а, следовательно, и исходные свойства стали. Повторный нагрев прошедшего термическую обработку инструмента, воздействие на него звуковым полем с вышеназванными параметрами в процессе остывания на воздухе приводит к повышению твердости и, следовательно, связано с выделением карбидных фаз, причем можно предположить, что выделяются мелкодисперсные субмикроскопические карбиды, ответственные за повышение твердости.

В процессе упрочнения опытной партии инструмента и при проведении сравнительных производственных испытаний как готового инструмента, так и изделий в виде заготовок после термической обработки перед заточкой, выявлены следующие результаты:
стойкость инструментов из стали Р6М5 (сверла, фрезы, развертки и др.) увеличились в среднем в 2-3 паза;
матриц и развальцовок из стали ШХ15НД в 2,9 раза;
зенковок из БК60М в 2,5 раза;
деталей из углеродистых сталей свыше 3 раз.

Сравнительные испытания фрез диаметром 20-22 мм показали, что упрочненными заявленными способом обрабатывается 100 деталей (обычными фрезами до первой переточки обрабатывается 30 деталей). Сравнительные испытания сверл диаметром 4,0 мм показали, что при сверлении винта мебельной стяжки Ф-507 от обычной парой сверл до первой переточки обрабатывается 1,2-1,5 тыс. винтов, а упрочненными заявленным способом сверлами до первой переточки обрабатывается 3 тыс. винтов, т.е. упрочнение позволило увеличить стойкость инструмента в 2 раза.

Сравнительные испытания роликов и веретен показали, что обычными обрабатывается три конденсатора, а упрочненными 8-10, т.е. стойкость инструмента увеличилась в 3 раза.

Сравнительные испытания разверток ХА-743830-53 диаметром 9,5 мм при обработке шатунов Ц-220 показали, что неупрочненными развертками обрабатывается 200 шт. шатунов, упрочненными развертками до первой переточки - 400 шатунов, т.е. упрочнение по заявленному способу позволило увеличить стойкость инструмента в 2 раза.

Сравнительные испытания пуансонов (Р6М5) 1136-3416 при обработке кольца подшипника 904902 из стали 15Г1 показали, что неупрочненными пуансонами обрабатывалось до 7000 дет. а упрочненными 15000 дет. т.е. стойкость повысилась более чем в 2 раза.

Использование: изобретение относится к технологии объемного упрочнения и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности, где используется режущий инструмент, технологическая оснастка и др. металлические изделия. Задача изобретения состоит в повышении твердости и износостойкости инструмента. Сущность: готовый инструмент или технологическую оснастку, предварительно прошедшую термическую обработку по серийной технологии, нагревают до температур, не превышающих низкие температуры отпуска, после чего подвергают в процессе охлаждения на воздухе воздействию колебаний звуковой частоты, которые генерируют с помощью необратимого акустического преобразователя типа звуковой сирены, при этом задают частотный диапазон и мощность звуковых колебаний, а также время воздействия, в зависимости от габаритов инструмента. Установка для упрочнения металлических изделий, содержащая комплекс термического и акустического оборудования, соединенных транспортной системой. Акустическое оборудование выполнено в виде устройства для излучения звука типа звуковой сирены, в которой конструкция модулятора, установленного в резонаторной камере с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости относительно соосного с ним щелевого сопла, наличие регулирующего элемента, изменяющего сечение сопла, расположение сопла в рабочей боковой поверхности форкамеры, контактирующей с резонаторной камерой, а также выполнение в форкамере перфорированной перегородки в совокупности обеспечивают выполнение заданных режимов акустического воздействия на металлические изделия, результатом которых является повышение твердости и износостойкости материала изделий, предварительно нагретых до заданной температуры в электропечи установки. 2 с.и 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 11 ил.

1. Способ упрочнения изделий, включающий нагрев до заданной температуры и воздействие в процессе охлаждения на изделие механических колебаний звуковой частоты, отличающийся тем, что нагрев осуществляют до 140 300^oС, а воздействие колебаниями ведут на звуковой частоте 100 3000 Гц мощностью 170-180 дБ в течение 3 20 мин. 2. Установка для упрочнения металлических изделий, содержащая термический и акустический узлы, соединенные транспортной системой, отличающаяся тем, что акустический узел выполнен в виде устройства для излучения звука типа звуковой сирены, включающего форкамеру с перфорированной перегородкой и щелевым соплом в боковой стенке и с регулирующим элементом, расположенным на боковой стенке с возможностью вертикального перемещения и фиксации относительно щелевого сопла, и контактирующей с боковой стенкой форкамеры, открытой сверху резонаторной камерой с установленным на ней посредством опоры напротив щелевого сопла и соосно с ним модулятором, имеющим возможность горизонтального перемещения и фиксации его относительно сопла, при этом модулятор выполнен в виде двух ножей с клиновыми поверхностями с одинаковым углом клина α и с передней овальной кромкой у одного и с прямой кромкой у другого, причем один из ножей съемный, а опора и регулирующий элемент выполнены с клиновыми поверхностями с соответствующими углами клина b и γ, где углы клина определяются соотношением a<β<γ.
3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что в модуляторе, опоре и регулирующем элементе выполнены овальные пазы.