СПОСОБ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ВЫГЛАЖИВАНИЕМ Российский патент 2023 года по МПК B24B39/00 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к области обработки металлов и их сплавов поверхностным пластическим деформированием, и может быть использовано в авиационной промышленности, машиностроении, судостроении металлургии и других областях для упрочнения и повышения функциональных свойств различных деталей.

В настоящее время постоянно выдвигаются новые требования к надежности, долговечности, конкурентоспособности изделий, к «специфическим условиям эксплуатации машин и механизмов, которые принципиально не могут быть решены при использовании какого-либо одного сложнолегированного сплава. В этой связи, важным направлением на пути создания долговечных изделий является применение различных способов упрочнения металлических материалов с помощью поверхностного пластического деформирования, в том числе выглаживания.

Известен способ упрочняющей обработки выглаживанием заготовки с наноструктурированием ее поверхностного слоя, включающий движение выглаживателя с индентором по поверхности механически обработанной заготовки с установленными нагрузкой и скоростью. Используют индентор с цилиндрической формой заточки, выполненный из мелкодисперсного кубического нитрида бора, при этом осуществляют многократные проходы выглаживателя по заготовке с принудительным охлаждением рабочей зоны сухим воздухом или инертным газом, что обеспечивает увеличение коэффициента трения [1].

Недостатком способа является перегрев зоны контакта индентора с обрабатываемой поверхностью, поскольку охлаждение всей рабочей зоны газом не обеспечивает охлаждение непосредственно зоны контакта индентора с обрабатываемой поверхностью вследствие низкой интенсивности теплоотдачи при газовом охлаждении.

Известен способ наноструктурирующего упрочнения поверхностного слоя прецизионных деталей выглаживанием, включающий использование выглаживающего инструмента, содержащего индентор, изготовленный из сверхтвердого искуственного материала, в частности нитрида бора, и модуль охлаждения индентора жидким теплоносителем, причем выглаживающий инструмент устанавливают в динамометре, три выхода которого соединяют с микропроцессором, связанным с регулируемым источником тока, который соединяют с упомянутым модулем охлаждения индентора, при этом в процессе обработки задают силу выглаживания и поддерживают коэффициент трения постоянным, равным 0,11 [2].

Однако недостатками известного способа являются конструктивная сложность выглаживающего инструмента.

Кроме того, сложность процесса выглаживания, связанная с необходимостью расчета и последующей установки инструмента в каждом конкретном случае в зависимости материала обрабатываемой поверхности. Кроме того, известный способ формирует достаточно высокий коэффициент трения, но для улучшения физико-механических свойств обрабатываемых поверхностей эти значения коэффициента трения могут привести к снижению эксплуатационных свойств поверхности детали после такой обработки.

Известен способ упрочняющей обработки поверхностей деталей выглаживанием, включающий обработку поверхности детали выглаживателем с индентором, выполненным из синтетического алмаза, по поверхности металлической детали с установленными нагрузкой и скоростью, при этом осуществляют принудительное охлаждение рабочей зоны смазочно-охлаждающей технологической жидкостью, в качестве которой используют 0,3-0,5%-ный водный раствор гидроксиэтилцеллюлозы, который предварительно равномерно наносят на обрабатываемую поверхность в количестве 0,09-0,11 г/см² [3].

Известный способ имеет ряд недостатков, в первую очередь необходимость использования специальной охлаждающей жидкости, содержащей химический реагент, который предварительно перед выглаживанием необходимо наносить на поверхность обрабатываемой детали. Кроме того, в каждом конкретном случае необходимо высчитывать или подбирать режимы выглаживания, необходимые для получения высоких эксплуатационных свойств детали.

Задачей, на решение которой направлено предложенное техническое решение, является упрощение процесса обработки поверхности детали, увеличение твердости поверхностного слоя, снижение шероховатости и повышение протяженности упруго-пластического деформированного слоя поверхности детали. В конечном итоге, это обеспечивает повышение эксплуатационных свойств деталей, повышение надежности и сроков их работы.

Поставленная цель достигается предложенным способом упрочняющей обработки поверхности цилиндрических деталей выглаживанием, в котором осуществляется упругопластическое деформирование поверхности вращающейся детали выглаживателем с индентером из синтетического алмаза, путем воздействия на индентер постоянным радиальным усилием и фиксированной величиной подачи вдоль оси детали, с принудительным охлаждением рабочей зоны выглаживания смазочно-охлаждающей технологической жидкостью, отличающийся тем, что индентер из синтетического алмаза выполнен радиусом закругления 1,5-2,5 мм, а упругопластическое деформирование поверхности вращающейся детали осуществляют в два прохода при постоянной величине подачи 0,05-0,2 мм, причем на первом проходе выглаживание проводят с постоянным радиальным усилием на индентер 50-70 Н, а на втором проходе выглаживание проводят с постоянным радиальным усилием на индентер 75-130 Н.

Предложенный способ осуществляется следующим образом. Деталь цилиндрической формы устанавливают на токарный станок, оснащенный выглаживателем с индентером из синтетического алмаза. Головка индентера шарообразной формы с радиусом закругления 1,5-2,5 мм.

Упругопластическое деформирование поверхности вращающейся детали осуществляют в два прохода. На первом проходе выглаживание проводят с постоянным радиальным усилием на индентер (величина усилия прижатия алмазной головки) 50-70 Н. На втором проходе выглаживания постоянное радиальное усилие на индентер увеличивают до значений 75-130 Н. В процессе выглаживания, и в первом и во втором проходах, величина подачи остается постоянной, равной 0,05-0,2 мм.

С целью снижения локального разогрева металла цилиндрической детали в процессе выглаживания, в зону контакта индентера с поверхностью детали принудительно подается смазочно-охлаждающая технологическая жидкость.

Радиус головки индентера алмазного выглаживателя выбран исходя из необходимости получения минимальных значений шероховатости поверхности, максимальной глубины упрочненного слоя на поверхности детали и оптимальных условий производительности. При радиусе алмазного индентера менее 1,5 мм глубина упрочненного слоя в результате упругопластической деформации не превышает 0,15 мм, что не достаточно для стабильной работы деталей.

При радиусе алмазной головки более 2,5 мм резко возрастает шероховатость поверхности и увеличивается локальный разогрев поверхности в местах выглаживания, что может привести к налипанию частиц металла на поверхность алмаза и изменению геометрических разметов детали.

Как показали проведенные исследования, с целью получения минимальных значение шероховатости поверхности цилиндрических деталей, процесс выглаживания необходимо осуществлять в два прохода.

После первого прохода выглаживания на поверхности детали формируется упрочненный слой с величиной шероховатости 0,58 R_a. После второго прохода величина шероховатости достигает значений 0,3R_a. Попытка увеличить число проходов выглаживания приводит в повышению шероховатости до 0,4 R_a, после третьего прохода, и до значений 0,55 R_a после четвертого прохода.

Очевидно, что после второго прохода запас пластичности металла поверхностного слоя, в результате наклепа, находится на нижнем пределе. В процессе третьего прохода, под действием усилия алмазного наконечника, перенагартованные микро-частицы металла поверхностного слоя отслаиваются (выкрашиваются), что и проводит к повышению шероховатости поверхности. После четвертого прохода, отслаивание частиц металла в результате перенагартовки, приобретает лавинообразный характер, что приводит к дальнейшему повышению шероховатости.

На втором проходе выглаживания радиальное усилие на индентер увеличивают до значений 75-130Н. Это необходимо по следующей причине. В процессе первого прохода, в результате упругопластической деформации, на поверхности детали формируется упрочненный слой металла. В процессе второго прохода, снижение шероховатости упрочненного поверхностного слоя металла возможно в результате дальнейшего упрочнения, возможного при более высоком радиальном усилии на индентер. Поэтому на втором проходе радиальное усилие на индентер повышают до 75-130 Н.

Таким образом, наименьшие значения шероховатости поверхности при алмазном выглаживании получены при обработке поверхности в два прохода при радиальной нагрузке в первом проходе на индентер выглаживателя 50-70 Н, и при радиальной нагрузке на индентер во втором проходе 75-130 Н.

Повышение радиальной нагрузки на индентер алмазного выглаживателя более 130 Н не целесообразно. Как показали исследования, в этом случае резко возрастает шероховатость поверхности и повышается температура в зоне выглаживания, приводящая к снижению прочности упрочненного слоя.

В процессе выглаживания величина подачи составляет 0,05-0,2 мм. При долее высоких значениях подачи, более 0,2 мм, резко возрастает температура в зоне выглаживания и повышается шероховатость поверхности за счет формирования грубого упрочненного слоя, приводящего к образованию вырывов микрочастиц металла детали в поверхностном слое. Значения подачи менее 0,05 мм приводят к затягиванию процесса выглаживания и экономически не оправданы.

Предложенный способ упрочняющей обработки поверхности цилиндрических деталей выглаживанием осуществляется следующим примером.

В качестве цилиндрической детали использовали кольцевой толкатель из стали 4Х5МФС, используемый в машинах литья под давлением алюминиевых сплавов. После механической и стандартной термической обработки, поверхность кольцевого толкателя подвергали упругопластическому упрочнению путем выглаживания индентером, изготовленным из синтетического алмаза. Радиус закругления алмазного индентера составлял 2,0 мм

Алмазное выглаживание готовой детали кольцевого толкателя осуществляли на токарно-винторезном станке 16К20.

Обработку детали осуществляли на следующих режимах:

- скорость вращения - 600 об/мин;

- подача - 0,1 мм;

В качестве охлаждающей жидкости использовали СОЖ «ECOCOOL 2520».

В работе использовали выглаживатель с постоянной радиальной нагрузкой. Величину усилия прижатия алмазной головки регулировали с помощью изменения жесткости пружин прижатия алмазной головки.

После термической обработки упругопластическое деформирование поверхности кольцевого толкателя проводили в два прохода. На первом проходе выглаживание проводили с постоянным радиальным усилием на индентер (величина усилия прижатия алмазной головки) 60 Н. На втором проходе выглаживания постоянное радиальное усилие на индентер увеличили до значений 85 Н. В процессе выглаживания, и в первом и во втором проходах, величина подачи составляла 0,1 мм.

После первого прохода шероховатость поверхности кольцевого толкателя составила 0,58 R_a. Глубина упрочненного слоя - 0,2 мм. После второго прохода шероховатость составила 0,3 R_a, а глубина упрочненного слоя - 0,3 мм.

В результате обработки поверхности кольцевого толкателя, изготовленного из стали 4Х5МФС предложенным способом, длительность работы детали в машинах литья под давлением алюминиевых радиаторов возросла до 350-400 тысяч циклов.

Таким образом, совокупность всех технических параметров предложенного способа упрочняющей обработки поверхности цилиндрических деталей выглаживанием, обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышение твердости поверхности металлических изделий при одновременном повышении глубины упрочненного слоя, и снижении шероховатости поверхности, что в итоге позволило повысить длительность и надежность работы кольцевых толкателей машин литья под давлением алюминиевых радиаторов.

Источники информации, принятые во внимание.

1. Патент РФ №2458777 «Способ упрочняющей обработки поверхностей деталей выглаживанием», МПК В24В 39/00, 2010.

2. Патент РФ №2635987 «Способ наноструктурирующего упрочнения поверхностного слоя прецизионных деталей выглаживанием и система для его осуществления», МПК В24В 39/00, 2016.

3. Патент РФ №2703072 «Способ упрочняющей обработки поверхностей деталей выглаживанием», МПК В24В 39/00, 2019.

Изобретение относится к упрочняющей обработке поверхности цилиндрических деталей выглаживанием. Осуществляется упругопластическое деформирование поверхности вращающейся детали выглаживателем с индентором из синтетического алмаза путем воздействия на индентор постоянным радиальным усилием и фиксированной величиной подачи вдоль оси детали с принудительным охлаждением рабочей зоны выглаживания смазочно-охлаждающей технологической жидкостью. Индентор из синтетического алмаза выполнен радиусом закругления 1,5-2,5 мм. Упругопластическое деформирование поверхности вращающейся детали осуществляют в два прохода при постоянной величине подачи 0,05-0,2 мм. На первом проходе выглаживание проводят с постоянным радиальным усилием на индентор 50-70 Н, а на втором проходе выглаживание проводят с постоянным радиальным усилием на индентор 75-130 Н. В результате обеспечивается повышение эксплуатационных свойств деталей, повышение их надежности и сроков работы. 1 пр.

Способ упрочняющей обработки поверхности цилиндрических деталей выглаживанием, включающий осуществление упругопластического деформирования поверхности вращающейся детали выглаживателем с индентором из синтетического алмаза путем воздействия на индентор постоянным радиальным усилием и фиксированной величиной подачи вдоль оси детали с принудительным охлаждением рабочей зоны выглаживания смазочно-охлаждающей технологической жидкостью, отличающийся тем, что индентор из синтетического алмаза выполнен с радиусом закругления 1,5-2,5 мм, а упругопластическое деформирование поверхности вращающейся детали осуществляют в два прохода при постоянной величине подачи 0,05-0,2 мм, причем на первом проходе выглаживание проводят с постоянным радиальным усилием на индентор 50-70 Н, а на втором проходе выглаживание проводят с постоянным радиальным усилием на индентор 75-130 Н.