Способ отделочно-упрочняющей обработки внутренних поверхностей Российский патент 2024 года по МПК B24B31/116 B24B39/00 

Заявленное техническое решение относится к машиностроению и может быть использовано для отделочно-упрочняющей обработки деталей пластическим деформированием в труднодоступных местах.

Известен способ чистовой обработки сквозных отверстий деталей (А.с. СССР 1379063 А1), при котором осуществляют прокачивание под давлением 10,0-24,0 МПа в прямом и обратном направлениях рабочей среды, подаваемой из камеры гидроцилиндра, причем рабочая среда состоит из 1 массовой части каучука СКТ, содержащего 12% фторопласта, и 1-2 массовых частей рабочих элементов. Предварительно рабочие (деформирующие) элементы (шарики или дробь) равномерно смешивают в рабочей среде из пластического (труднотекучего) материала. При многократном перекатывании шариков или дроби на поверхности отверстия шероховатость обрабатываемой поверхности уменьшается и становится направленной, а острые кромки скругляются. Использование данного способа дает возможность получения заданных прочностных свойств детали и ее поверхности, особенно в труднодоступных местах, за счет тонкого регулирования режимов пластического деформирования, уменьшения шероховатости поверхности в 15-20 раз, по сравнению с исходной, без применения абразивных материалов и получение направленной шероховатости обрабатываемой поверхности, а также уменьшение концентраций напряжений на поверхности обработки. Этот способ принят за прототип.

Недостатком описанного способа является сложность выбора технологических режимов и состава рабочих сред, обеспечивающих отделочно-упрочняющую обработку с требуемой величиной упрочнения без образования дополнительных дефектов поверхностного слоя. Кроме того, при некоторых сочетаниях величины давления сдвига рабочей среды, радиуса применяемых для обработки шариков, количества шариков в объеме рабочей среды, вязкости рабочей среды при массовых контактных взаимодействиях шариков с обрабатываемой поверхностью под действием усилия обработки (Р_оу) в материале обрабатываемой детали могут возникать только упругие деформации (так называемые мягкие режимы) или произойти процесс перехода пластической деформации в процесс пластического оттеснения или микрорезания (так называемые жесткие режимы). В первом случае наблюдается существенное снижение производительности процесса. Во втором случае на обрабатываемой поверхности могут возникать дополнительные дефекты в виде волнистости, наплывов и царапин, что увеличивает шероховатость обрабатываемой поверхности.

Техническая проблема заключается в сложности подбора состава рабочих сред и технологических режимов проведения процесса отделочно-упрочняющей обработки деталей из различных материалов, которая требует высокой квалификации оператора.

Задачей изобретения является уменьшение шероховатости обрабатываемой поверхности без образования дополнительных дефектов с обеспечением заданной величины упрочнения при проведении отделочно-упрочняющей обработки, в том числе термически неупрочняемых материалов, за счет обоснованного выбора режимов обработки и состава рабочей среды.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе отделочно-упрочняющей обработки внутренних поверхностей, включающий прокачивание под давлением в прямом и обратном направлениях рабочей среды, которая состоит из 1 массовой части каучука СКТ, содержащего 12% фторопласта, и 1-2 массовых частей рабочих элементов в виде шариков, согласно изобретению, величину давления рабочей среды определяют из зависимости P = λР_оу/S_поп, МПа,

где λ - коэффициент потерь давления потока среды, определяемый экспериментально и зависящий от перестройки профиля потока в местных сопротивлениях канала при переходе потока из рабочих цилиндров в обрабатываемый канал;

S _поп - площадь поперечного сечения обрабатываемого канала, м²;

Р _оу - усилие воздействия рабочей среды на обрабатываемую поверхность, необходимое для обеспечения заданной величины упрочнения h, которое рассчитывают по формуле:

где η - вязкость рабочей среды, Н с/м²;

R _шар - радиус применяемых для обработки шариков, м;

ρ_шар - плотность материала шариков, кг/м³;

E _cp - объем рабочей среды, м³;

U - общая масса рабочей среды, кг;

Q - массовая часть шариков в рабочей среде;

J - массовая часть каучука СКТ в рабочей среде;

n _ц - количество полуциклов обработки;

T - время одного полуцикла обработки, с;

Ra _исх - исходная шероховатость упрочняемой поверхности, мкм;

z - коэффициент соответствия динамического давления потока рабочей среды перепаду статического давления среды в отверстии;

S _поп - площадь поперечного сечения обрабатываемого канала, м²;

E - модуль упругости обрабатываемого материала, Н/м²;

μ - коэффициент Пуансона обрабатываемого материала;

c' - коэффициент стеснения, равный 2,87;

k - коэффициент упрочнения обрабатываемой поверхности;

σ_Т - предел текучести обрабатываемого материала, МПа;

h _пл - величина пластической деформации обрабатываемой поверхности, мкм.

Технический результат, выражающийся в уменьшении шероховатости обрабатываемой поверхности без образования дополнительных дефектов с обеспечением заданной величины упрочнения при проведении отделочно-упрочняющей обработки, в том числе термически неупрочняемых материалов, обусловлен тем, что усилие воздействия рабочей среды на обрабатываемую поверхность, рассчитывают по формуле, которая учитывает свойства рабочей среды и материала обрабатываемой детали, технологические параметры обработки, а также параметры обрабатываемой поверхности.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена схема проведения способа отделочно-упрочняющей обработки внутренних поверхностей. На фиг. 2а показана схема градиента скорости потока относительно шарика, контактирующего с шероховатой обрабатываемой поверхностью; на фиг 2б - схема реакций, возникающих при контакте шарика с микронеровностями обрабатываемой поверхности.

При сдвиговом течении вязкоупругой рабочей среды вязкости η в ней возникает градиент скорости потока относительно гладкого шарика (фиг. 2а), при этом гладкие шарики вступают в массовые контактные взаимодействия с шероховатой обрабатываемой поверхностью. При этом осуществляется трение качения с контактными взаимодействиями шарика и микронеровностей обрабатываемой поверхности с возникновением реакций сил (фиг. 2б). Шарики перемещаются со скоростью V относительно неподвижной обрабатываемой поверхности детали, совершая при этом вращение с некоторой угловой скоростью ω. При повороте шарика относительно мгновенного или постоянного центра в контакт вступают новые участки поверхностей трения. Величина относительных скоростей разных точек шарика определяется градиентом скорости потока рабочей среды V, которая перемещает шарик вдоль обрабатываемой поверхности. Контакт шарика и обрабатываемой поверхности детали (реальных тел качения) представляет собой площадку конечных размеров (К на фиг. 2б).

Из монографии «Научные основы абразивно-экструзионной обработки» (Левко В. А. Научные основы абразивно-экструзионной обработки деталей / В.А. Левко. - Красноярск : Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева", 2015. стр. 98) известно, что рабочее усилие при контакте определяется как

где А_н - номинальная площадь контакта рабочего инструмента (шарика) с обрабатываемой поверхностью; р_н - номинальное давление в контакте рабочего инструмента (шарика) и обрабатываемой поверхности.

Из справочника «Технология и инструменты отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием» в 2-х томах. Т. 1. (Под общ. ред. А.Г. Суслова. - М.: Машиностроение, 2014, стр. 28) известно, что величина номинальной площади контакта рабочего инструмента (шарика) с обрабатываемой поверхностью определяется как

где А_н.фр - фронтальная площадь контакта, А_н.упр - площадь упругого последствия.

где r₁ - радиус отпечатка при контакте с необработанной поверхностью:

где h_кин - величина упрочняемого слоя (упрощенно принимается равной исходной шероховатости обрабатываемой поверхности Ra_исх);

где a - угол (радиан), определяемый по зависимости

где B_o - подача (для рассматриваемого способа отделочно-упрочняющей обработки внутренних поверхностей подача является продольной, а ее поперечная составляющая равно нулю).

где h_упр - упругое восстановление, определяемое по формуле

где c' - коэффициент стеснения (c'=2,87); σ_Т - предел текучести обрабатываемого материала детали, μ - коэффициент Пуассона обрабатываемого материала детали, E - модуль упругости обрабатываемого материала, h_пл - величина пластической деформации обрабатываемой поверхности; k - коэффициент упрочнения, величина которого определяется из зависимости:

где Ra_исх - исходная шероховатость поверхности; m и n - коэффициенты, зависящие от пластических свойств материала.

Величина коэффициента упрочнения k для отделочно-упрочняющей обработки принимается равной 1,05…1,4.

Для определения численного значения величины пластической деформации h_пл этой поверхности при однократном прохождении шарика радиусом R_шар задается требуемая величина коэффициента упрочнения k с учетом характеристик обрабатываемого материала детали (E, μ, σ_Т) и исходной шероховатости упрочняемой поверхности Ra_исх. При этом такие показатели материала как m и n можно не учитывать.

Далее с учетом нулевой величины подачи B_o рассчитывается размер номинальной площади контакта единичного шарика с обрабатываемой поверхностью А_н.

При B_o = 0 величина составляющих площадей контакта

А _н.фр = r₁;

Тогда

Из научной литературы известно, что абразивные зерна в потоке рабочей среды перемещаются по линиям тока (Исследование влияния формы обрабатываемого канала на течение рабочей среды при абразивно-экструзионной обработке / В.А. Левко, М.А. Лубнин, П.А. Снетков [и др.] // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. - 2009. - № 4(25). - С. 138-145). При установившемся течении расстояние между соседними зернами не изменяется, т. е. в потоке образуются упругие (силовые) цепочки, воздействующие на обрабатываемую поверхность. При этом реализуется массовый контакт зерен с обрабатываемой поверхностью. Свойство образования упругих цепочек характерно и для гладких шариков при использовании их вместо абразивных зерен.

Общее количество контактных взаимодействий конкретной площадки поверхностного слоя с шариками зависит от числа шариков g_цеп в упругой цепочке потока рабочей среды за один ход штоков рабочих цилиндров (полуцикл с временем T), а также общего количества полуциклов обработки n_ц. Число шариков g_цеп в упругой цепочке зависит от радиуса применяемых для обработки шариков R_шар и их массового содержания в среде Q, массовой части полимерной основы (каучука СКТ) рабочей среды J и общей массы среды U (объема рабочей среды E_cp), а также площади поперечного сечения S_поп обрабатываемого канала.

Масса шариков М_шар в среде определится из отношения

Общий объем шариков Е_шар определяется как

где ρ_шар - плотность материала шариков.

Общее количество шариков g в Е_шар при условии, что каждый шарик при плотной упаковке вписывается в куб с длиной грани 2R_шар , высчитывается из уравнения:

Длина потока рабочей среды L_пот, проходящего через поперечное сечение S_поп за время одного полуцикла T, определится из отношения E_cp/S_поп. Это значение можно принять в качестве длины упругой цепочки L_цеп.

При условии равномерного распределения объема шариков Е_шар в объеме рабочей среды E_cp устанавливается плотность упаковки шариков в рабочей среде, т.е. какой объем рабочей среды занимает объем одного шарика E_уп = E_cp/Е_шар. При условии полного прохождения этих объемов через рассматриваемое сечение S_поп и при длине упругой цепочки L_цеп можно установить длину сегмента цепочки L_сег, включающего в себя шарик и часть полимерной основы. Тогда L_сег = 2R_шарE_уп.

Исходя из этого общее количество шариков в одной цепочке, при условии равного содержания шариков в каждой цепочке, определяется из отношения g_цеп = L_цеп/L_сег. После подстановки значений это выражение можно записать как:

Конкретный локальный участок обрабатываемой поверхности за время одного полуцикла обработки T испытывает воздействие g_цеп шариков.

Известно, что связь между динамической вязкостью среды η, перепадом давления ΔP = P_вх - P_вых, скоростью потока V и геометрией обрабатываемого отверстия круглого сечения можно установить на основе преобразованного уравнения Пуайзеля (Левко, В.А. Особенности реологии рабочей среды при абразивно-экструзионной обработке / В.А. Левко // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. - 2005. - № 4. - С. 96-100.):

где R_кан - радиус обрабатываемого отверстия, L - длина отверстия.

Перепад давления ΔP обеспечивает течение рабочей среды в обрабатываемом отверстии, создавая определенную величину номинального давления:

где z - коэффициент соответствия динамического давления потока рабочей среды перепаду статического давления среды в отверстии.

Тогда при однократном прохождении единичного шарика радиусом R_шар усилие Р_оу, которое необходимо приложить на этот шарик для обеспечения требуемого значения величины пластической деформации h_пл этой поверхности, запишется как

Однако заданная величина пластической деформации h_пл обеспечивается суммарным многократным воздействием на обрабатываемую поверхность всех шариков цепочки g_цеп, каждый из которых воздействует на локальный участок обрабатываемой поверхности n_ц раз. Отсюда можно представить общую формулу, описывающую процесс отделочно-упрочняющей обработки, в виде зависимости

где n_ц - количество полуциклов обработки.

После подстановки и преобразований описанная выше зависимость принимает вид:

Заявленный способ реализуется следующим образом. Обрабатываемую деталь 1 (фиг. 1) помещают в установку для отделочно-упрочняющей обработки между нижним 2 и верхним 3 рабочими цилиндрами со штоком. Обработку проводят вязкоупругой рабочей средой 4, наполненной шариками 5.

Шток нижнего рабочего цилиндра 2 отведен в нижнюю позицию. В образовавшуюся полость нижнего рабочего цилиндра 2 загружается необходимый объем E_cp вязкоупругой рабочей среды 4 с вязкостью η, и наполненный шариками 5.

Усилие Р_оу, под которым прокачивают рабочую среду, рассчитывают по формуле:

Данная формула учитывает свойства рабочей среды - объем E_cp рабочей среды, общую массу U рабочей среды, содержание массовой части полимерной основы (каучука СКТ) J, содержание массовой части шариков Q в рабочей среде, радиус шариков R_шар, плотность материала шариков ρ_шар, вязкость η рабочей среды; материал обрабатываемой детали - модуль упругости E, коэффициент Пуансона μ и предел текучести σ_Т; технологические параметры обработки - время обработки одного полуцикла T, количество полуциклов обработки n_ц, а также параметры обрабатываемой поверхности - площадь поперечного сечения S_поп обрабатываемого канала, исходную шероховатость Ra_исх обрабатываемой поверхности.

Затем определяют величину давления рабочей среды P, используя зависимость P=λР_оу/S_поп, предварительно экспериментально определив величину коэффициента потерь давления потока среды λ, зависящую от перестройки профиля потока в местных сопротивлениях канала при переходе из рабочих цилиндров установки в технологическую оснастку и/или обрабатываемый канал (λ=2…5). В установку для отделочно-упрочняющей обработки закачивают определенный объем рабочей среды E_cp, в качестве которой используют каучук СКТ, содержащий 12% фторопласта (1 мас.ч.) и Q мас.ч. шариков.

В посадочное углубление нижнего рабочего цилиндра 2 устанавливают обрабатываемую деталь 1 и поджимают верхним рабочим цилиндром 3. Шток верхнего рабочего цилиндра установлен в верхнем положении.

В процессе отделочно-упрочняющей обработки гидравлическая система установки обеспечивает синхронизированное и регулируемое возвратно-поступательное перемещение штоков нижнего 2 и верхнего 3 рабочих цилиндров за счет создания давления сдвига рабочей среды. Под действием давления сдвига рабочей среды P необходимый объем рабочей среды 4 продавливается штоком нижнего цилиндра 2 через обрабатываемые поверхности детали 1 (сквозные отверстия) в образовавшуюся полость верхнего рабочего цилиндра 3. При достижении штоком нижнего рабочего цилиндра 2 верхнего положения гидросистема установки переключает направление перемещения штоков. При этом вязкоупругая рабочая среда 4 продавливается из верхнего рабочего цилиндра 3 через деталь 1 в нижний рабочий цилиндр 2, завершая полный цикл обработки.

Пример 1. Способ отделочно-упрочняющей обработки внутренних поверхностей был применен для обработки образцов из термически не упрочняемого сплава АМг6. Для обработки использовали рабочую среду вязкостью η = 800000,0 Н с/м², объем рабочей среды E_cp = 0,01 м³; общая масса рабочей среды U = 55,1 кг; массовая часть шариков в рабочей среде Q = 0,6; массовая часть каучука СКТ в рабочей среде J = 0,4; радиус шариков, применяемых для обработки R_шар = 0,001 м. Количество полуциклов обработки n_ц = 5; время одного полуцикла обработки T = 30 сек. (Количество полуциклов обработки n_ц определяется условиями обработки. Время одного полуцикла обработки T зависит от общего объема среды Е_шар, площади поперечного сечения обрабатываемых отверстий (канала) S_поп, давления P и вязкости рабочей среды η). Исходная шероховатость упрочняемой поверхности Ra_исх = 3,6 мкм; коэффициент соответствия z = 0,05; площадь поперечного сечения обрабатываемого отверстия S_поп = 0,002 м²; модуль упругости сплава АМг6 E = 0,71 10^-5 Н/м²; коэффициент Пуансона μ=0,3; предел текучести σ_Т = 180 МПа, коэффициент стеснения c' = 2,87.

По заявленной формуле определили, что для обеспечения величины упрочнения h_пл = 5 мкм на обрабатываемую поверхность необходимо обеспечить усилие Р_оу = 7335,8 Н. При коэффициенте потерь потока λ=3 требуемая величина давления рабочей среды, контролируемая манометрами установки (на схеме 1 не показаны) P = 11 МПа.

В процессе отделочно-упрочняющей обработки термически не упрочняемого сплава АМг6 была получена равномерно обработанная поверхность сквозного отверстия. Микротвердость поверхности увеличилась на 30-35% - от 110-120 HV до 150-160 HV. На поверхности отсутствуют дополнительные дефекты, а ее шероховатость уменьшилась от Ra = 3,6 мкм до Ra = 0,32-0,5 мкм. Время обработки 150 секунд существенно меньше, чем при обработке по способу - прототипу (780 секунд).

Пример 2. Способ отделочно-упрочняющей обработки внутренних поверхностей применен для обработки образцов из латуни ЛС59-1 Параметры рабочей среды, а также технологические параметры обработки, используемые для расчета, аналогичны примеру 1. Исходная шероховатость упрочняемой поверхности Ra_исх = 1,8 мкм, коэффициент соответствия z = 0,05; площадь поперечного сечения обрабатываемого отверстия S_поп = 0,002 м²; модуль упругости латуни ЛС59-1 E = 1,05 10^-5 Н/м²; коэффициент Пуансона μ = 0,32; предел текучести σ_Т = 400 МПа.

Для обеспечения величины упрочнения h_пл = 5 мкм при описанных выше численных значениях величин, входящих в расчетную формулу, на обрабатываемую поверхность необходимо обеспечить усилие Р_оу = 6352,6 Н. При коэффициенте потерь потока λ=3 требуемая величина давления рабочей среды P = 9,5 МПа.

Отделочно-упрочняющая обработка образцов из латуни ЛС59-1 также обеспечила равномерную обработку с увеличением микротвердости на 50-65% от 90-110 HV до 150-180 HV. При этом на поверхности отсутствуют дополнительные дефекты, а ее шероховатость снизилась от Ra = 1,8 мкм до Ra = 0,32 мкм.

Время обработки 150 секунд.

Предлагаемый способ отделочно-упрочняющей обработки внутренних поверхностей позволяет обеспечить необходимое упрочнение и улучшение шероховатости поверхностного слоя обрабатываемой детали c учетом свойств ее материала (E, μ σ_Т), исходной шероховатости поверхности Ra_исх, площади поперечного сечения обрабатываемого канала S_поп, технологических параметров обработки (T, n_ц), а также за счет уточнения как состава рабочей среды (R_шар, E_cp, Q), так и величины давления рабочей среды P.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для отделочно-упрочняющей обработки пластическим деформированием внутренних поверхностей деталей, в том числе из термически не упрочняемых материалов. Осуществляют прокачивание под давлением в прямом и обратном направлениях рабочей среды, которая состоит из 1 массовой части каучука СКТ, содержащего 12% фторопласта, и 1-2 массовых частей рабочих элементов в виде шариков. Величину давления рабочей среды определяют из приведенной зависимости. Уменьшается шероховатость обрабатываемой поверхности без образования дополнительных дефектов с обеспечением заданной величины упрочнения. 2 ил.

Способ отделочно-упрочняющей обработки внутренних поверхностей, включающий прокачивание под давлением в прямом и обратном направлениях рабочей среды, которая состоит из 1 массовой части каучука СКТ, содержащего 12% фторопласта, и 1-2 массовых частей рабочих элементов в виде шариков, отличающийся тем, что величину давления рабочей среды определяют из зависимости P=λP_оу/S_поп, МПа,

где λ - коэффициент потерь давления потока среды, определяемый экспериментально и зависящий от перестройки профиля потока в местных сопротивлениях канала при переходе потока из рабочих цилиндров в обрабатываемый канал;

S_поп - площадь поперечного сечения обрабатываемого канала, м²;

Р_оу - усилие воздействия рабочей среды на обрабатываемую поверхность, Н, необходимое для обеспечения заданной величины упрочнения, которое рассчитывают по формуле

где η - вязкость рабочей среды, Н⋅с/м²;

R_шар - радиус применяемых для обработки шариков, м;

ρ_шар - плотность материала шариков, кг/м³;

E_cp - объем рабочей среды, м³;

U - общая масса рабочей среды, кг;

Q - массовая часть шариков в рабочей среде;

J - массовая часть каучука СКТ в рабочей среде;

n_ц - количество полуциклов обработки;

T - время одного полуцикла обработки, с;

Ra_исх - исходная шероховатость упрочняемой поверхности, мкм;

z - коэффициент соответствия динамического давления потока рабочей среды перепаду статического давления среды в отверстии;

S_поп - площадь поперечного сечения обрабатываемого канала, м²;

E - модуль упругости обрабатываемого материала, Н/м²;

μ - коэффициент Пуансона обрабатываемого материала;

c’ - коэффициент стеснения, равный 2,87;

k - коэффициент упрочнения обрабатываемой поверхности;

σ_Т - предел текучести обрабатываемого материала, МПа;

h_пл - величина пластической деформации обрабатываемой поверхности, мкм.