СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОРЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ Российский патент 2007 года по МПК B24B39/00 

Изобретение относится к области технологии машиностроения, в частности к способам формирования двухуровневых микрорельефов, и может быть использовано для получения качественных поверхностей кулачков, опорных шеек распределительных валов системы газораспределения двигателей внутреннего сгорания, штоков гидроцилиндров шасси и т.п.

Известен способ формирования регулярных микрорельефов (Шнейдер Ю.Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. Л.: Машиностроение. 1982 - с.84), который заключается в поверхностно-пластической деформации поверхности инструментом с радиусом при вершине (шарик, индентор и т.п.) с заданным шагом и усилием.

Однако в полученном данным способом профиле имеются участки с минимальной кривизной между канавками, полученными поверхностно-пластической деформацией шариком (индентором и др.), испытывающие более высокие контактные нагрузки по сравнению с впадинами. Эти участки наиболее уязвимы при эксплуатации, так как являются очагами возникновения повышенного износа и разрушения поверхности из-за неравномерности по высоте и шагу шероховатости, наличия микротрещин, неоднородности структуры, остаточных напряжений растяжения.

Известен способ формирования двухуровнего рельефа на поверхности детали, включающий формирование двухуровнего регулярного микрорельефа, комбинированного по высоте, путем вибронакатывания канавок шаром (d₁) и индентором (d₂), причем канавки, накатанные индентором, располагают между канавками, накатанными шаром (SU 149344 А1, В24В 39/00, 15.07.1989).

Однако при повышении маслоемкости поверхности трения и производительности данный способ не обеспечивает высоких эксплуатационных качеств деталей.

В качестве прототипа принят способ формирования микрорельефа на поверхности детали (Витенберг Ю.Р. Комбинированные методы управления параметрами шероховатости. Вестник машиностроения. 1983. №11 с.16-20). Способ включает осуществление вращения детали и подачи, формирование на ее поверхности двухуровнего микрорельефа, комбинированного по высоте, путем вибронакатывания канавок шаром и индентором, при этом канавки, накатанные индентором, располагают между канавками, накатанными шаром.

Однако этот способ формирует поверхность с неравномерными физико-механическими характеристиками: в образованных вибрационным накатыванием канавках - остаточные напряжения сжатия, а на участках профиля между канавками - остаточные напряжения ниже (возможно появление остаточных напряжений растяжения) с соответствующими микротвердостями. Причем поверхность, сформированная способом по прототипу, в процессе износа будет менять опорную длину и опорную площадь, так как участки профиля между канавками, полученные предварительной обработкой точением, воспринимающие эксплуатационную нагрузку первыми, будут сминаться, что снижает сопротивляемость поверхности износу.

Задачей предлагаемого способа является повышение износостойкости деталей с регулярным профилем поверхности.

Технический результат - увеличение микротвердости поверхности, формирование во всем поверхностном слое остаточных напряжений сжатия, повышение сопротивления износу, увеличение опорной длины профиля и опорной площади обработанной поверхности.

Этот технический результат достигается тем, что в способе формирования микрорельефа на поверхности детали, включающем осуществление вращения детали и подачу, формирование на ее поверхности двухуровнего регулярного микрорельефа, комбинированного по высоте, путем вибронакатывания канавок шаром и индентором, при этом канавки, накатанные индентором, располагают между канавками, накатанными шаром, канавки создают синусоидальным путем вибронакатывания шаром радиусом R_ш=1,5...2,0 мм с усилием Р_ш=160÷500 Н и индентором R_инд=0,5...0,8 мм с усилием Р_инд=80...250 Н, причем канавки, накатанные индентором, формируют с меньшим шагом и меньшей высотой, чем канавки, накатанные шаром; деталь вращают с частотой n_изд=50...240 об/мин, подачу инструмента вдоль оси детали осуществляют с S=05...0,8 мм/об, при этом используют устройство с торцовым кулачком, выполненным из условия осуществления колебаний двойных ходов с частотой n_дв.х=1400...2800 мин^-1 для обеспечения колебательного движения упомянутых индентора и шара.

Синусоидальная форма канавок, вибронакатанных шаром, увеличивает опорную площадь регулярного микрорельефа.

При уменьшении радиуса шара R_ш менее 1,5 мм увеличивается контактное давление, что вызывает перенаклеп (микротрещины, шелушение).

При увеличении радиуса шара R_ш более 2,0 мм уменьшается контактное давление, что отрицательно влияет на формирование глубины низкочастотных синусоидальных канавок и остаточных напряжений сжатия, уменьшает их.

При уменьшении усилия вибронакатывания Р_ш менее 160 Н параметры: глубина низкочастотных канавок R₁, остаточные напряжения σ_ост, микротвердость H_μ - не оптимальны.

При увеличении усилия вибронакатывания Р_ш более 500 Н возможен перенаклеп, выражающийся в шелушении, отслаивании поверхности.

При уменьшении радиуса алмазного индентора R_инд менее 0,5 мм увеличивается контактное давление, что вызывает перенаклеп (микротрещины, шелушение).

При увеличении радиуса алмазного индентора R_инд более 0,8 мм уменьшается контактное давление, что отрицательно влияет на формирование остаточных напряжений сжатия, уменьшает их.

При уменьшении усилия индентора менее Р_инд=80 Н параметры: шероховатости R_а, остаточные напряжения σ_ост, микротвердость H_μ - не оптимальны.

При увеличении усилия индентора более Р_инд=250 Н возможен перенаклеп, выражающийся в шелушении, отслаивании поверхности.

Меньший шаг и меньшая высота канавок, накатанных индентором, по сравнению с канавками, накатанными шаром, обеспечивает криволинейную поверхность кулачка, меньшее усилие при обработке.

При уменьшении частоты вращения детали менее 50 об/мин и увеличении более 240 об/мин, уменьшении менее 1400 мин^-1 и увеличении более 2800 мин^-1 частоты колебаний двойных ходов n_дв.х, остаточные напряжения σ_ост, микротвердость H_μ - не оптимальны.

При уменьшении подачи инструмента вдоль оси детали S менее 0,05 мм/об снижается производительность обработки, возможно прохождение индентора по одному и тому же месту, что вызывает перенаклеп и шелушение обработанной поверхности.

При увеличении подачи инструмента вдоль оси детали S более 0,8 мм/об образуются места («островки») недонаклепа с исходной шероховатостью.

На фиг.1 показано устройство для реализации способа, которое состоит из основания 1, на котором размещены копировальное устройство 2, механизмы нагружения 3 и осцилляции 4, кинематически связанные между собой поворотным держателем обрабатываемой детали 5, например распредвала, посредством зубчатых колес 6, 7, 8. Причем зубчатое колесо 6, устанавливаемое на кольцо распредвала 5, выполнено разъемным с возможностью переустановки его для последовательной обработки всех кулачков распредвала.

Деформирующие инструменты: алмазный индентор 9 и шар 10 установлены на оправках 11 механизма нагружения по отношению друг к другу под углом 180° и обеспечивается регулировка на размер и поджатие пружинами 12 с настроенными усилиями шара Р_ш и индентора Р_инд к обрабатываемой поверхности кулачка.

Устройство включает механизм нагружения, в который входят тарированные пружины 13 и комплект из четырех пластинчатых пружин 14. Для осуществления колебательного движения (осцилляции) индентора 9 и шара 10 служит торцовый кулачок 15, имеющий две разнесенные по оси профильные криволинейные поверхности с разной синусоидой, которые взаимодействуют с шаровыми опорами (не показаны), установленными на плоскостях рычагов 16 и 17, консоли которых соединены с пластинчатыми пружинами 14 и оправками 17. Другим концом пружины 14 прикреплены к державкам 18, несущим копирные ролики 19, которые установлены подвижно на вертикальных осях в консолях основания. Державки с роликами 19 поджимаются тарированными пружинами 13 к копировальному устройству 2, обеспечивая плотный контакт по всей криволинейной поверхности.

Способ осуществляют следующим образом. При обработке детали копирные ролики 19 и обрабатывающие инструменты - индентор 9 и шар 10, находясь в постоянном контакте с поверхностями соответственно копировального устройства 2 и обрабатываемой детали 5, копируя их, совершают возвратно-поступательные перемещения в перпендикулярном направлении относительно их осей, обеспечивая тем самым постоянство усилий обработки по всей криволинейной поверхности. Обрабатывающие инструменты (индентор 9 и шар 10), одновременно совершая колебательные движения с разными для каждого инструмента частотой и амплитудой, которые обеспечиваются разными (в зависимости от числа выпуклостей) криволинейными поверхностями торцового кулачка 15 через рычаги 16 и 17, на обрабатываемой поверхности детали 5 образуют микрорельеф профиля, состоящего из двух уровней. Нижний (первый) уровень микрорельефа образуется за счет вибронакатывания канавок шаром 10, причем между канавками в зависимости от величины подачи располагаются участки с необработанной поверхностью, на которых алмазным индентором 9 формируется микрорельеф с меньшей высотой и меньшим шагом - верхний (второй) уровень.

Профиль поверхности (фиг.2), полученный по предлагаемому способу, состоит из двух уровней. Нижний уровень образуется вибронакатыванием шаром 10 низкочастотных синусоидальных канавок (радиус шара R_ш=1,5...2,0 мм с усилием Р_ш=160÷500 Н, с частотой колебаний шара n_дв.х=1400...2800 мин^-1), при этом на поверхности создаются глубокие низкочастотные синусоидальные канавки 20 высотой R₁=8...12 мкм с шагом S_m1=2...3,2 мкм.

Верхний уровень образуется на необработанных участках поверхности между низкочастотными синусоидальными канавками 20 нанесением высокочастотных синусоидальных канавок высотой R₂=2...3,2 мкм с шагом S_m2=0,8...1,2 мкм индентором 9 R_инд=0,5...0,8 мм с усилием Р_инд=80...250 Н, с частототой вращения изделия n_изд=50...240 об/мин, с частотой колебаний двойных ходов n_дв.х=1400...2800 мин^-1, подачей инструмента вдоль оси детали S=0,05...0,8 мм/об.

В результате формируется поверхность с двухуровневым профилем регулярного микрорельефа по высоте и шагу, для которой характерно отсутствие остаточных напряжений растяжения, неравномерности наклепа и структурной неоднородности металла.

Пример осуществления способа

Вал ⊘60 мм из материала 38ХНМЮА с исходной шероховатостью поверхности R_z=14 мкм, установленный в центрах токарного станка вращали со скоростью 120 об/мин. Обработку поверхностным пластическим деформированием осуществляли устройством при следующих режимах деформирования: шар R_ш=1,8 мм, усилие Р_ш=300 Н, n_дв.х.ч=1400 мин^-1, алмазный индентор R_инд=0,6 мм, Р_инд=160 Н, n_дв.х=2800 мин^-1 (частота двойных ходов шара и индентора зависит от параметров торцового кулачка 15), продольная подача инструментов S=0,6 мм/об.

В других примерах, осуществляемых, как описанный пример, меняли значения: R_ш, P_ш, R_инд, Р_инд, n_изд, n_дв.х, S.

Результаты испытаний приведены в таблице, из которой видно, что предлагаемый способ обеспечивает увеличение микротвердости поверхности в среднем на 30÷50%, формирование в поверхностном слое по сравнению с прототипом остаточных напряжений сжатия в пределах 300...600 МПа, повышение сопротивления износу на 40% по сравнению с прототипом 18%; значения параметров шероховатости: опорная длина по средней линии t_p увеличилась с 5...8% до 23...45%, опорная площадь Т_р увеличилась с 7...13% до 36...68%.

Таблица№Свойства поверхностного слояЕд. изм.ПрототипПредлагаемый способ1.Микротвердость ^H _μ%100130...1502.Остаточные напряжения ^σ _ост на участкахМПа+20...+80-300...-600 профиля между накатанным шаром канавками   3.Повышение сопротивления износу%18404.Изменение параметров шероховатости:    опорная длина по средней линии, t_p%5...823...45 опорная площадь T_p%7...1336...68

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам формирования двухуровневых микрорельефов. Осуществляют вращение детали и подачи и формирование на ее поверхности двухуровневого регулярного микрорельефа, комбинированного по высоте путем вибронакатывания канавок шаром и индентором. Канавки, накатанные индентором, располагают между канавками, накатанными шаром. Канавки создают синусоидальными путем вибронакатывания шаром радиусом R_ш=1,5...2,0 мм с усилием Р_ш=160...500 Н и индентором радиусом R_инд=0,5...0,8 мм с усилием Р_инд=80...250 Н. Причем канавки, накатанные индентором, формируют с меньшим шагом и меньшей высотой, чем канавки, накатанные шаром. В результате увеличивается микротвердость поверхности, формируются в поверхностном слое остаточные напряжения сжатия, повышается сопротивляемость износу, увеличивается опорная длина и опорная площадь обработанной поверхности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ формирования микрорельефа на поверхности детали, включающий осуществление вращения детали и подачи и формирование на ее поверхности двухуровневого регулярного микрорельефа, комбинированного по высоте путем вибронакатывания канавок шаром и индентором, при этом канавки, накатанные индентором, располагают между канавками, накатанными шаром, отличающийся тем, что канавки создают синусоидальными путем вибронакатывания шаром радиусом R_ш=1,5-2,0 мм с усилием Р_ш=160-500 Н и индентором радиусом R_инд=0,5-0,8 мм с усилием Р_инд=80-250 Н, причем канавки, накатанные индентором, формируют с меньшим шагом и меньшей высотой, чем канавки, накатанные шаром.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что деталь вращают с частотой n_изд=50-240 об/мин, подачу осуществляют с S=0,05-0,8 мм/об, при этом используют устройство с торцовым кулачком, выполненным из условия осуществления колебаний двойных ходов с частотой n_дв.х.=1400-2800 мин^-1 для обеспечения колебательного движения упомянутых индентора и шара.