Инструмент для поверхностного упрочнения металлических деталей Российский патент 2024 года по МПК B24B39/00 

Изобретение относится к области технологического машиностроения, а именно к способам поверхностной обработке деталей для упрочнения приповерхностного слоя с одновременным частичным снятием остаточных напряжений, улучшением шероховатости поверхности, а также увеличением ресурса обрабатываемых деталей.

Во многих отраслях промышленности для удешевления производства ответственных деталей, подвергающихся изнашиванию от сил трения, абразивного износа и других механических воздействий применяют различные методы поверхностного упрочнения металла. Поверхностное упрочнение при этом позволяет изготавливать деталь из менее дорогого менее прочного материала придавая ему повышенные прочностные свойства только в местах, подвергающихся негативному внешнему механическому воздействию.

Основные операции поверхностного упрочнения металлов можно разделить на два типа: термические (поверхностная термическая обработка нагревом, обработка лазерными пучками и тд.) и механические (дробеструйная обработка, выглаживание и тд.).

К основным недостаткам термических методов можно отнести не всегда контролируемые и прогнозируемые изменения внутренней приповерхностной структуры материала и распределение остаточных напряжений. В основном из-за этого данные методы здесь не рассматриваются.

Механические же методы поверхностного упрочнения более контролируемы, но и у них есть ряд недостатков, часть из которых предлагается устранить при помощи описываемого здесь изобретения.

Предлагается улучшить существующий на данный момент типовой инструмент для поверхностного упрочнения подвижным шариком (US 6,622,570 В1). Основным выявленным недостатком данного инструмента является отсутствие возможности дополнительной обработки поверхности для улучшения микроструктуры и дополнительного снятия остаточных напряжений. Воздействие такого рода обычно осуществляется отдельно при помощи операции импульсной обработки жестким инструментом (RU 2312003 С1). Недостатком данного способа является отсутствие упрочняющего воздействия. Предлагается соединить в одном конструктивном решении оба этих вида инструмента (жесткий инструмента для импульсной обработки и инструмент со смазкой вращающейся упрочняющей части), тем самым мы получим инструмент со смазкой вращающейся упрочняющей части с возможностью приложения ультразвукового воздействия.

Стоит отметить, что существует способ приложения вибраций к корпусу упрочняющего инструмента с вращающейся смазываемой частью. Основным недостатком такого подхода является низкая эффективность и неконтролируемость приложения вибрации к подвижной упрочняющей части (шарику) который взаимодействует с корпусом не на прямую, а через смазочную жидкость между шариком и корпусом. В предлагаемом изобретении амплитудные вибрационные нагрузки предлагается прикладывать к вращающемуся упрочняющему шарику непосредственно при помощи элементов переменного электромагнитного поля, установленных внутри упрочняющего инструмента перед шариком.

В свою очередь приложение амплитудных вибрационных нагрузок к самому упрочняющему шарику в момент перемещения шарика в сторону упрочняемой поверхности могут привести к прилипанию шарика к поверхности корпуса инструмента и критическому уменьшению зазора между упрочняющим шариком и корпусом инструмента. Такое критическое уменьшение зазора может привести к плохому смазыванию упрочняющего шарика и заготовки, заклиниванию шарика без смазки и другим повреждениям различных элементов упрочняющего инструмента. В предлагаемом изобретении данную проблему предполагается решить за счет продольных сквозных смазочных каналов в месте возможного контакта упрочняющего шарика и корпуса упрочняющего инструмента.

Существует ряд технологических процессов потенциально перспективных для внедрения предлагаемого изобретения: процессы поверхностного упрочнения, процессы улучшения чистоты поверхности деталей, а также процессы обработки внутренней структуры металла и снятие остаточных напряжений. Так предлагаемое изобретение позволит проводить операции поверхностного упрочнения деталей с одновременным частичным снятием внутренних дефектов приповерхностного слоя. При помощи предлагаемого изобретения возможно улучшить шероховатость поверхности детали что положительно повлияет на ряд параметров работоспособности детали: снижение трения, снижение износа детали и тд. Также стоит отметить, что при помощи обработки предлагаемым инструментом улучшается внутренняя структура обрабатываемой детали (термообработка, механическая обработка, деформационная обработка).

Основными отраслями, перспективными для внедрения предлагаемого изобретения являются нефтегазовая отрасль и аэрокосмическая отрасль. В рамках технологических процессов в нефтегазовой отрасли предлагаемое изобретение позволило бы проводить упрочняющую обработку ряда изделий: обработка резьбовых соединений насосно-компрессорных труб, обработка эрозионно-высоконагруженных частей скважинных насосов, обработка сварных швов трубопроводов для нормализации структуры металла и внутренних напряжений в шве. Предлагаемый в изобретении метод обработки позволит снимать остаточные напряжения со сварных соединений в нефтепроводах и сваях фундаментов зданий на многолетнемерзлых грунтах. Это в свою очередь позволит уйти от дорогостоящих операций объемной термической обработки свай, а также позволит снизить риски аварий на трубопроводах из-за дефектов в сварных швах

В рамках технологических процессов в аэрокосмической отрасли предлагаемое изобретение позволило бы проводить: обработку частей газотурбинных двигателей, а также финишную обработку поверхностей отремонтированных деталей сложной формы. При этом переход от применения дробеструйного упрочнения поверхности при замене его на предлагаемый метод упрочнения позволит существенно сэкономить на дроби как расходном материале для обработки, а также позволит сделать процесс более контролируемым и снизить подготовительные операции на подбор режимов дробеструйной обработки.

Также полученное изобретение может быть использовано для операций формообразования поверхности, а также восстановления формы поверхности деталей из листовых материалов для несерийных условий производства и ремонта (ниокр, ремонтные цеха, автономные площадки эксплуатации и тд.) как инструмент для инкрементального формообразования. Весь комплекс особенностей предлагаемого изобретения позволит при проведении операции инкрементального формообразования из листового материала обеспечить большую степень деформации за счет снятия остаточных растягивающих напряжений.

Техническим результатом предлагаемого решения является частичное снятие остаточных напряжений, отрицательно влияющих на прочность и долговечность обрабатываемых деталей при сохранении основной функции обработки - увеличение прочности и уменьшение шероховатости поверхности обрабатываемой детали.

Технический результат достигается за счет того, что сфера, находящаяся в оправке подпираемая напором смазывающей жидкости или газа при вдавливании ее и одновременном качении по поверхности обрабатываемой детали создает в поверхностном слое напряженно-деформированное состояние следствием которого является упрочнение поверхностного слоя обрабатываемой детали. При этом классический процесс упрочнения сферой, представленный в патенте US 6,622,570 В1 не предусматривает воздействий для снятия остаточных напряжений. Предлагаемое изобретение предполагает для решения данной проблемы осуществлять приложение амплитудных вибрационных нагрузок непосредственно к вращающейся упрочняющей сфере при помощи переменных полей разной природы или разряда тока через жидкую среду или гидромеханическим способом, однако способ подачи пульсирующих сигналов на сферу не ограничивается ранее перечисленными. В свою очередь приложение амплитудных вибрационных нагрузок непосредственно к упрочняющей сфере в момент ее перемещения в сторону упрочняемой поверхности могут привести к прилипанию сферы к поверхности оправки инструмента и критическому уменьшению зазора между упрочняющей сферой и оправкой инструмента. Такое критическое уменьшение зазора может привести к плохому смазыванию упрочняющей сферы и поверхности упрочняемой детали, заклиниванию сферы без смазки и другим повреждениям различных элементов упрочняющего инструмента. В предлагаемом изобретении данную проблему предполагается решить за счет продольных сквозных смазочных каналов в месте возможного контакта упрочняющей сферы и оправки упрочняющего инструмента.

Устройство представляет собой инструмент для упрочняющей поверхностной обработки деталей произвольной формы с основным упрочняющим элементом в виде сферы, перемещающийся в пределах оправки в слое смазывающей жидкости или газа. Постоянная подача смазывающей жидкости или газа обеспечивает беспрепятственное вращение сферы при приложении к ней нагрузки из-за того, что сфера при осевой нагрузке не контактирует непосредственно с поверхностью оправки, а отделена от нее слоем смазывающей жидкости или газа. При приложении пульсирующего воздействия за счет продольных смазочных каналов в оправке сфера в крайнем положении сближения с поверхностью упрочняемой детали не перекрывает полностью подачу смазки как в зону контакта сфера-оправка, так и в зону контакта сфера - упрочняемая поверхность, что позволяет избежать заклинивания сферы в оправке и повреждения поверхности упрочняемой детали.

Сущность технического решения поясняется следующими чертежами:

- на фиг. 1 изображен общий вид, вид сверху и вид головик для закрепления сферы инструмента для поверхностного упрочнения металлических деталей;

- на фиг. 2 изображен разрез А-А, вид Б, вид В инструмента для поверхностного упрочнения металлических деталей;

- на фиг. 3 изображен вид Г, вид М, разрез Д-Д деформирующего инструмента.

Сборка устройства осуществляется следующим образом.

В корпус (1) помещается источник пульсирующих воздействий (4) к которому с внешней стороны подключается канал подачи пульсирующего сигнала (6). Затем в корпус помещается сфера (3) и замыкается в корпусе (1) оправкой (2). К корпусу (1) подключается гидравлическая линия через канал подачи смазки (5). После сборки инструмент устанавливается в исполнительный механизм, осуществляющий его перемещения и приложение нагрузки, а гидравлический канал подключается к станции управления подачей смазки.

Устройство работает следующим образом.

При осуществлении упрочняющей поверхностной обработки собранный и подключенный к исполнительному механизму и станции подачи смазки инструмент подводится к поверхности упрочняемой детали. Далее, при помощи одновременного осевого усилия и перемещения, передаваемого через корпус (1) и смазку внутри корпуса (1) на сферу последняя начинает деформировать поверхностные слои детали осуществляя качение по поверхности одновременно с вдавливанием. Одновременно с этим осуществляется непрерывная подача смазочного материала на вращающуюся сферу (3) и через зазоры и каналы в оправке (2)-на обрабатываемую поверхность. Одновременно с механическим воздействием на обрабатываемую поверхность усилием и перемещением через сферу (3) осуществляется импульсное воздействие при помощи подачи импульсных сигналов через источник (4) и канал (5) на поверхность обрабатываемой детали через сферу (3).

Изобретение относится к упрочняющему инструменту. Инструмент содержит корпус с рабочим упрочняющим элементом в виде сферы, выполненной с возможностью свободного вращения в оправке в потоке смазывающей жидкости. Сфера отделена от поверхности оправки слоем смазывающей жидкости при осуществлении упомянутого осевого усилия. Оправка выполнена с продольными смазочными каналами, предотвращающими перекрытие подачи смазочной жидкости в зону контакта сфера-оправка и в зону контакта сфера-упрочняемая поверхность при приложении упомянутого импульсного воздействия. В результате обеспечивается частичное снятие остаточных напряжений при увеличении прочности и уменьшении шероховатости поверхности обрабатываемой детали. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Упрочняющий инструмент, содержащий корпус с рабочим упрочняющим элементом в виде сферы, выполненной с возможностью свободного вращения в оправке в потоке смазывающей жидкости, осуществления упрочнения посредством приложения к ней одновременно осевого усилия в направлении нормали к упрочняемой поверхности, перемещения в направлении, перпендикулярном к нормали к упрочняющей поверхности, и импульсного воздействия с приложением амплитудных вибрационных нагрузок непосредственно к вращающейся сфере, при этом сфера отделена от поверхности оправки слоем смазывающей жидкости при осуществлении упомянутого осевого усилия, а оправка выполнена с продольными смазочными каналами, предотвращающими перекрытие подачи смазочной жидкости в зону контакта сфера-оправка и в зону контакта сфера-упрочняемая поверхность при приложении упомянутого импульсного воздействия.

2. Упрочняющий инструмент по п. 1, отличающийся тем, что сфера выполнена с возможностью приложения к ней амплитудных вибрационных нагрузок посредством разряда тока через жидкую среду в виде смазывающей жидкости или гидромеханическим способом.