СПОСОБ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО НА КОНТАКТНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ РАЗМЕРНОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ОБРАБОТКИ РЕЗЬБ Российский патент 1999 года по МПК B23H9/00 B23P6/00 

Изобретение относится к электрофизическим методам обработки, а именно к способам электроискрового легирования, нанесения покрытий, и может быть использовано при упрочнении и/или восстановлении свойств и/или размеров резьбообрабатывающих инструментов.

Известен способ обработки поверхности режущего инструмента, направленный на повышение его стойкости, заключающийся в том, что на переднюю и заднюю поверхности режущего инструмента электроискровым методом наносят покрытия с различными коэффициентами трения. На передней поверхности формируют покрытие с большим коэффициентом трения, чем на задней. Покрытие наносят хромо-молибденовым электродом, которому задают ультразвуковые колебания (УЗК) с частотой, например, 22 кГц и амплитудой 6 - 8 мкм. В зону обработки подают азот, количество которого при нанесении покрытия на переднюю поверхность поддерживают не более 30%от количества, подаваемого в зону обработки при нанесении покрытия на заднюю поверхность (Авторское свидетельство СССР N 1812004, МКИ B 23 H 9/00, публ. 30.04.93).

Недостатком способа является то, что при сообщении УЗК только электроду-аноду воздействие УЗК локализуется в приповерхностном слое покрытия, что не обеспечивает в полной мере усталостную прочность рабочих элементов инструмента.

Известен способ образования резьбы, заключающийся в деформировании металла инструментом, повторяющим профиль резьбы и перемещающимся по винтовой линии по впадинам изношенной резьбы с одновременным нагревом детали током, проходящим через контакт инструмента с деталью. Способ направлен на восстановление полного профиля изношенной резьбы (Авторское свидетельство СССР N 1731564, МКИ B 23 P 6/00, публ. 07.05.92).

Недостаток способа заключается в том, что он повышает только износостойкость резьбы по сравнению с вновь изготовленной, но не обеспечивает в должной мере усталостную прочность контактных поверхностей резьбы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ электроискрового нанесения покрытий, осуществляемый в условиях относительного перемещения электрода-анода и детали-катода, по которому электроду-аноду сообщают ультразвуковые продольно-крутильные колебания относительно обрабатываемой поверхности, а детали-катоду - низкочастотные механические вибрации в плоскости, перпендикулярной направлению продольной составляющей электрода-анода. Способ был призван обеспечивать улучшение качества покрытия в частности за счет воздействия на механизм образования дислокаций в материале детали-катода с получением слоя интерметаллидов на поверхности обрабатываемой детали (Авторское свидетельство СССР N 1002124, МКИ B 23 H 9/00, публ. 17.07.81, прототип).

Однако обработка по способу-прототипу локализуется в пограничных с поверхностью слоях покрытия, что не позволяет распространить условия получения интерметаллидов вглубь обрабатываемого изделия и ограничивает долговечность (возможность многократных переточек) инструмента, создает предпосылки усталостного разрушения элементов инструмента с покрытием.

Технический результат изобретения заключается в одновременном повышении усталостной прочности, износостойкости и долговечности инструмента за счет образования интерметаллидов как в слое покрытия, так и в прилегающих слоях материала инструмента.

Указанный результат достигается тем, что в способе электроискрового нанесения покрытий, преимущественно на контактные поверхности размерного инструмента для обработки резьб, включающем относительное перемещение электрода-анода и обрабатываемого инструмента - катода, в том числе относительные колебания на звуковых и ультразвуковых частотах в направлениях, нормальном и параллельном обрабатываемой поверхности, согласно изобретению электроду-аноду сообщают низкочастотную механическую вибрацию, а обрабатываемому инструменту-катоду сообщают УЗК с амплитудой не менее 5 мкм. Нанесение покрытия на передние контактные поверхности резьбы инструмента-катода ведут при повышенных на 30 - 40% значениях тока разряда и амплитуд УЗК по отношению к значениям тока и амплитуд при обработке задних контактных поверхностей. Электроду-аноду дополнительно сообщают ультразвуковые колебания.

Сущность предложенного способа заключается в том, что при подаче УЗК на катод-изделие (обрабатываемый размерный инструмент) интенсивность УЗК на фронте кристаллизации и образования интерметаллидов больше, чем на свободной поверхности жидкого металла и в ручье разряда. Энергия рассеивается в наибольшей степени на упрочнение размерного инструмента, в том числе на интенсификацию образования интерметаллидов и повышение плотности дислокаций у границ зерен. Упрочнение при ультразвуковом деформировании выражено тем значительнее, чем больше амплитуда УЗК превышает пороговое значение, соответствующее длине свободного пробега дислокаций в материале инструмента. Эта длина для класса конструкционных и инструментальных материалов и сталей с технической точностью равна 5 мкм. При дробной ультразвуковой деформации с шагом менее 5 мкм пластический сдвиг происходит в пределах легкого скольжения дислокаций - без их дополнительного генерирования источниками Франка-Рида и, соответственно, без их накопления у границ зерен, т.е. без упрочнения материала обрабатываемого размерного инструмента.

Нанесение покрытия на передние и задние контактные поверхности резьбы размерного инструмента рекомендуется производить на различных режимах по току разряда и амплитуде УЗК. Это связано с тем, что к покрытию передних контактных поверхностей предъявляются преимущественно требования максимально выраженных антифрикционных свойств, а к покрытию задних контактных поверхностей - требования антизадирной защиты. При больших на 30 - 40% значениях тока разряда и амплитуды УЗК покрытие образуется более крупнозернистое (крупнокапельное), пористое за счет возможных эффектов кавитации и разбрызгивания жидкого металла, соответственно, покрытие более маслоемкое (антифрикционное) и износостойкое.

В случае сообщения электроду-аноду дополнительно к низкочастотной вибрации УЗК в момент удара (контакта) электрода с образуемым слоем покрытия происходит дополнительное упрочнение внешней поверхности нанесенного покрытия и уменьшение его шероховатости.

Примеры реализации способа.

Пример 1.

Размерный инструмент в виде стального (сталь 45) трубного резьбового элемента, ответного обрабатываемой муфте нефтепромысловой насосно-компрессорной трубы, закрепляют на выходе волновода-трансформатора ультразвуковой колебательной системы продольных колебаний. Ультразвуковую колебательную систему закрепляют в патроне токарно-винторезного станка с возможностью вращения вокруг ее продольной оси. Корпус ультразвуковой колебательной системы подключают к катодной клемме источника электроискрового разряда "Элитрон 52А", а обмотку возбуждения колебательной системы подключают к ультразвуковому генератору УЗГЗ-4 с регулятором амплитуды УЗК. Электрод в форме резьбового резца из сплава Т15К6, закрепленный в клемме низкочастотного вибровозбудителя, вместе с якорем и корпусом последнего закрепляют на суппорте станка и подключают к анодной клемме источника электроискровых разрядов.

Включая токарно-винторезный станок, обеспечивают перемещение электрода-анода вдоль винтовой контактной поверхности обрабатываемого размерного инструмента; включая вибровозбудитель, обеспечивают относительные низкочастотные колебания электрода-анода. Включая ультразвуковой генератор, обеспечивают относительные УЗК инструмента-катода, регулируют амплитуду УЗК на уровне 12 ... 15 мкм, при частоте 18 кГц. Подводя суппорт, обеспечивают рабочий межэлектродный зазор прядка 0,5 .... 1,0 мм. Включая источник искровых разрядов "Элитрон 52А" и регулируя величину тока разрядов на уровне 4 ... 6А, осуществляют повторные относительные перемещения анода и катода вдоль винтовой линии резьбы размерного инструмента. Изменяя при повторных проходах радиус обрабатываемой винтовой линии на контактной поверхности инструмента-катода, обработку ведут до получения равномерного и сплошного покрытия.

Пример 2.

Реализация способа аналогична примеру 1. Повторные относительные перемещения анода и катода вдоль винтовой линии резьбы размерного инструмента-катода при нанесении электродом-анодом, выполненным в виде резьбового резца, покрытия на переднюю контактную поверхность резьбы осуществляют при регулировании амплитуды УЗК и тока разряда на уровне по примеру 1. Но при нанесении покрытия электродом-анодом на заднюю контактную поверхность резьбы обрабатываемого размерного инструмента значение регулируемых амплитуд УЗК и тока разряда уменьшают, соответственно, до 8 ... 10 мкм и 3 ... 4А, что обеспечивает получение более плотного тонкодисперсного антизадирного покрытия задних поверхностей при более выраженных антифрикционных параметрах покрытия передних контактных поверхностей.

Пример 3.

Реализация способа аналогична примеру 1, при этом якорю низкочастотного вибровозбудителя (входящего в комплект установки "Элитрон-25А") дополнительно сообщают УЗК от пьезокерамического преобразователя типа УЗП-0,2, возбуждаемого от дополнительного ультразвукового генератора УЗГ-0,25 на частоте 18 кГц с амплитудой 3 .... 5 мкм. Периодическим (с периодом низкочастотной вибрации) ультразвуковым контактно-динамическим воздействием электрода-анода резца на внешнюю поверхность покрытия обеспечивают дополнительное вторично упрочняющее воздействие на материал в слое покрытия.

Пример 4.

Обработку размерного резьбового инструмента, бывшего в эксплуатации, ведут при обеспечении рабочего межэлектродного зазора 0,5 .... 1,0 мм за счет перемещения вибровозбудителя вручную, причем, обеспечивая искровые разряды преимущественно при обработке зон с максимально выраженным износом покрытия. Обработку ведут на оборудовании, указанном в примере 1, до исчезновения локальных зон с изношенным покрытием.

Реализация способа по примерам 1 . ... 4 обеспечила по сравнению со способом-прототипом повышение на 50... 100% стойкости размерного ниппель-инструмента, работающего в составе установки ультразвукового восстановления муфт насосно-компрессорных труб.

Изобретение может быть использовано при упрочнении и/или восстановлении свойств и/или размеров резьбообрабатывающих инструментов. Осуществляют относительное перемещение электрода-анода и обрабатываемого инструмента-катода. Производят относительные колебания на звуковых и ультразвуковых частотах в нормальном и параллельном направлениях относительно обрабатываемой поверхности. Электроду-аноду сообщают низкочастотную механическую вибрацию. Обрабатываемому инструменту-катоду сообщают ультразвуковые колебания (УЗК) с амплитудой не менее 5 мкм. Нанесение покрытия на передние контактные поверхности резьбы инструмента-катода ведут при повышенных на 30-40% значениях тока разряда и амплитуд УЗК по отношению к значениям тока и амплитуд при обработке задних контактных поверхностей. Электроду-аноду дополнительно сообщают ультразвуковые колебания. Технический результат изобретения заключается в одновременном повышении усталостной прочности, износостойкости и долговечности инструмента за счет образования интерметаллидов в слое покрытия и в прилегающих слоях материала инструмента. 2 з.п.ф-лы.

1. Способ электроискрового нанесения покрытий, преимущественно на контактные поверхности размерного инструмента для обработки резьб, включающий относительное перемещение электрода-анода и обрабатываемого инструмента-катода, в том числе относительные колебания на звуковых и ультразвуковых частотах в направлениях нормальном и параллельном обрабатываемой поверхности, отличающийся тем, что электроду-аноду сообщают низкочастотную механическую вибрацию, а обрабатываемому инструменту-катоду сообщают ультразвуковые колебания с амплитудой не менее 5 мкм. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нанесение покрытия на передние контактные поверхности резьбы размерного инструмента-катода ведут при повышенных на 30-40% значениях тока разряда и амплитуд ультразвуковых колебаний по сравнению со значениями тока и амплитуд при обработке задних контактных поверхностей. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что электроду-аноду дополнительно сообщают ультразвуковые колебания.