Способ обработки деталей

 

Изобретение относится к обработке металлов деформацией и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей из высокопрочного чугуна, работающих в условиях трения скольжения, например коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания. Цель изобретения - повышение износостойкости . Сущность изобретения заключается в том, что одновременно и непрерывно проводят электрохимическое стравливание поверхностных слоев и поверхностное пластическое деформирование вибронаклепом с помощью упрочнителя, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Совместное действие стравливания и поверхностного пластического деформирования приводит к созданию регулярного рельефа на поверхности чугунных деталей и одновременно к механической полигонизации в поверхностных слоях металлической матрицы, что существенно ее упрочняет при трении . 1 з.п. ф-лы, 4 табл., 1 ил. g (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН ио4 С 21 0 7/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4058 194/22-02 (22) 16.04.86 (46) 30.09.87. Бюп. В 36 (72) Д.Г.Шерман, Г.П.Уманский, А.П.Любченко и Г.С.Ратинов (53) 621.785.362:621.789 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 1016143, кл. В 24 В 39/04, 1981.

Авторское свидетельство СССР

В 1258849, кл. С 21 D 8/00, 1985. (54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ (57) Изобретение относится к обработке металлов деформацией и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей из высокопрочного чугуна, работающих в условиях трения скольжения, например коленчатых ва„.80„„И41225 А1 лов двигателей внутреннего сгорания.

Цель изобретения — повьппение износостойкости. Сущность изобретения заключается в том, что одновременно и непрерывно проводят электрохимическое стравливание поверхностных слоев и поверхностное пластическое деформирование вибронаклепом с помощью упрочнителя, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Совместное действие стравливания и поверхностного пластического деформирования приводит к созданию регулярного рельефа на поверхности чугунных деталей и одновременно к механической полигониэации в поверхностных слоях металлической матрицы, что существенно ее упрочняет при трении, 1 з.п. ф-лы, 4 табл., 1 ил.

13412

Изобретение относится к обработке металлов деформацией и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей из высокопрочного чугуна, работающих в условиях трения скольжения, например коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания.

Цель изобретения — повышение износостойкости. 10

На чертеже дана схема проведения вибронаклепа, где упрочнитель -1, экспоненциальный концентратор 2 напряжений, магнитострикционный преобразователь 3, ультразвуковой,генератор 4, воронка 5, блок 6 питания, амперметр

7, переменное сопротивление 8, центр

9 токарного станка, упрочняемая деталь 10, поддон 11.

Установлено, что в результате наклепа в приповерхностном слое чугунных деталей толщиной для исследуемых чугунов 100-150 мкм формируется специфическое структурно-напряженное состояние, обусловленное наличием 25 графитных зерен. Стравливание же создает предпосылки формирования микрорельефа, который в силу специфики микростроения чугуна (включения шаровидного графита в металлической матрице), напоминает регулярный рельеф гексагонального типа, являющийся наиболее устойчивым к внешним воздействиям особенно при трении. Совместное одновременно действие стравливания и поверхностного пластического деформирования приводит к созданию регулярного рельефа на поверхности чугунных деталей и к явлению механической полигонизации в поверхностных слоях металлической матрицы, что существенно упрочняет ее при трении °

При электрохимическом воздействии удаляется преимущественно металлическая матрица чугуна. Скорость стравливания Ч должна быть пропорциональна площади металлической матрицы, контактируемой с упрочнителем в единицу времени

1

Г 1 2 м 2 находим

Ч1 Ч((о где Ч вЂ” скорость деформации поверх35 ности при вибронаклепе, мм/с

С, — время контакта упрочнителя с поверхностью, с;

4П то выражение для определения скорости удаления поверхностных слоев можно записать в виде (1- — N а )S

4 г ч=K (4)

Ч где К вЂ” эмпирический коэффициент.

Максимальную скорость деформации поверхности при вибронаклепе с ульт5О развуковой частотой можно определить по формуле

v - (1-N. s)s, S — площадь контакта упрочни"1 теля с поверхностью в единицу времени, мм /с.

Величину S âû÷èñëÿþò по формуле

S> !(а и S (1) где d> — диаметр детали, мм;

n> — число оборотов детали, с;

S — подача инструмента, мм/об. соотношение между Й4, п> и S устанавливают таким образом, чтобы N„ =

= N,где Nq — количество выступов на 1 мм поверхности детали, образующихся при вибронаклепе, f

N (2) ой и s где f — частота колебаний, с

Учитывая, что

12 ММ2

n. S = — — — — — (3) с

Принимая во внимание экспериментально установленный факт где N — число графитных включений, приходящихся на 1 мм шлифа; (,1 г

= 14 д — средний диаметр графитных включений, мм;

Ч,= 2 и f((5) где „вЂ” амплитуда колебаний упрочнителя, мм .

Время контакта упрочнителя с обрабатЪ|ваемой поверхностью определяется частотой его колебаний и зависит от

1 с о (6) Ем

8.НВ (7) (8) Рм = 1 7 Рс

13412 упругих свойств шарика и чугуна.Мож-, но в первом приближении считать

Для определения величины эмпирического коэффициента проведены эксперименты по определению оптимальной скорости удаления поверхностных слоев

Ч при вибронаклепе образцов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, вибрирующим с ультразвуковой частотой шариком (диаметр шарика

6 мк, частота колебаний 20 10З с

15 амплитуда 0,020 мм) в зависимости от структуры чугуна и режимов упрочнения.

Испытания на износостойкость образцов (ролики Ф 40 мм) проводили на

20 машине трения СМЦ-2 по схеме "роликколодочка . Колодочки изготавливали из бронзы БРС-30 с нанесением свинцово-оловянного покрытия (Pb 98, Sn

2X) толщиной 1,2 мм. Испытания проводили в масле М14Б окунанием при скорости скольжения 1 м/с и нагрузке

P> = 500 МПа в течение 10 ч с предварительной приработкой 1 ч при нагрузке Р„ = 50 МПа. Износ ролика g мг

30 определяли по массе с точностью

+0,2 мг, коэффициент трения f изме1 ряли с точностью +0,002.

Результаты определения оптимальной скорости удаления слоев при вибр1знаклепе приведены в табл. 1.

4 тям с регулярным рельефом. При повышенных скоростях стравливания V эфt фект упрочнения снижается, что может быть обусловлено неравномерностью полировки при этих режимах и образованием питтингов на поверхности.

Скорость стравливания при вибронаклепе устанавливают по величине

I плотности тока I = --- где I

5 S плотность тока, А/мм ; I — ток через электролит, А; S„ — площадь контакта упрочнителя с поверхностью,мм .

Площадь контакта S вычисляют по формул е

S„= PR (2h + R — (К -(К - h) где К вЂ” радиус шарика (упрочнителя), мм;

h — глубина вдавливания упрочнителя в поверхность, мм.

Величину h находят из соотношения где Н — твердость упрочняемой деталир Н/мм

F„ — максимальное значение силы при вибронаклепе, Н.

Значение F вычисляют по формуле

Обработка данных, приведенных в табл. 1, показывает, что экспериментально найденные оптимальные значеP ния Ч, обеспечивающие наибольшую износостойкость чугуна после вибрлнаклепа, согласуются с расчетными значениями V о по формуле (4) при

К = (0 5-1,5) -10

В табл. 2 приведены расчетные значения оптимальной скорости удаления поверхностных слоев Ч, которые

P обуславливают наибольший эффект упрочнения поверхности при вибронаклепе.

При малых скоростях стравливания

Ч не происходит полного удаления неровностей поверхности, а формирующаяся структура не соответствует требованиям, предъявляемым к поверхносгде Р„- статическая, нагрузка на упрочнитель, Н;

40 (— амплитуда колебаний упрочнителя, мкм.

Экспериментальные зависимости Ч

f(I ) позволяют с учетом применяемого электролита, структуры чугуна, 45 режимов и параметров упрочнения выбирать необходимое значение тока через электролит при вибронаклепе конкретных деталей. Проводят экспериментальные определения величины VI в

50 зависимости от плотности тока при обработке высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (L=0,20-0,25 мч, d = 0,03-0,07 мм) с твердостью Н — 260-290, шариком R = 3 мм, вибри55 Рующим с ультРазвуковой частотой (Е = 17600 с ) в электролите следующего состава: этиловый спирт (95Xный) 700 мп; бутоксиэтанол 100 мп; хлорная кислота (307-ная) 200 мл.

0,9; V9 = 25 13 мм/с; S> 314 мм2/с;

5 10 с, что позволяет получить

Плотность

Скорость стравливания, 107 / тока

I 10, А/мм2

0,25-0,5

1,5-2,0

2,5-3,0

3,5-4,0

5,0-6,0

20-42

120-160

200-240

280-315

400-4 70

Для нахождения тока через электролит определяют площадь контакта упрочни15 теля с образцом S> ïî выражению (6), для чего h рассчитывают по формуле (7) 1, 7 100 20™

h = — - -- — -- — — = 0,011 ли.

8 2850 3

Тогда S„= 2,65 мм. Отсюда 1 = I S = (5,3-6,6) 10 А = 5,3-6,6 мА. Результаты испытаний деталей на износостойкость приведены в табл. 3.

25 Таким образом, предлагаемый способ упрочнения позволяет повысить износостойкость деталей из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом по сравнению с прототипом в 4

30 раза, а по сравнению с другими известными способами в 2-2,2 раза, что приводит к существенному увеличению надежносги и долговечности изделий.!

Формула изобретения

1. Способ обработки деталей преимущественно из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, включающий

40 электрохимическое травление поверхностных слоев и поверхностное пластическое деформирование упрочнителем, отличающийся тем, что, с целью повышения иэносостойкости, 45 травление поверхностных слоев проводят со скоростью

1 — — -т!М а2

4 Sg

Ч=К л

3

l ° где К= (О, 5+1, 5 ) 10 — эмпирический коэффициент;

N — число графитоГ вых включений, приходящихся на 1 мм шпифа;

Величину и 9 Б (табл. 2) выбирают 55 равной 2,5 мм/с. При S = 0,25 мм/об величину п4 устанавливают равной

10 об/с. Скорость стравливания вычисляют по формуле (4), где (1-N,S „)— средний диаметр графитовых включений, мм3

Пример. Предлагаемый способ опробован при упрочнении деталей (ролики с наружным диаметром 40 мм и внутренним диаметром 15 мм, шири« ной 10 мм), изготовленных иэ высокопрочного чугуна с шаровидными графитом следующего состава, мас.7: С 3,03,6; Мп 0,5-0,9; Si 1,8-2,2; S a

- Оь025; P 0,1; Cr < 0,15; Ni c 0,5; М8 0,04-0,08. Твердость НВ

2850 Н/мм . Средний диаметр (d) графитных зерен 0,05 мм, среднее расстояние (I.) между ними 0,240 мм.

Поверхностный вибронаклеп проводили на специальной установке по схеме, приведенной на чертеже.

Упрочнитель 1, представляющий собой шарик радиусом (R ) 3 мм, прижимают к поверхности детали 10 статической нагрузкой (Р„ ) 100 Н. С помощью магнитострикционного преобразователя 3, подключенного к ультразвуковому генератору 4, и экспоненциального концентратора 2 напряжений упрочнитель совершает ультразвуковые колебания с частотой (Г) 17600 с и амплитудой („) 0,02 мм, Электролит подается в зону упрочнения со скоростью 0,1-0,2 л/мин из воронки

5 (иэготовленной из нержавеющей ста ли), которая является катодом. Отрицательный потенциал подается также на упрочнитель. Упрочняемая деталь

10 является анодом и подключается к блоку б,питания через переменное сопротивление 8 и амперметр 7. Деталь

10 устанавливают в центрах 9 токарного станка и вращают со скоростью п9 об/с. При этом упрочнитель совершает поступательное перемещение вдоль детали с подачей S мм/об. Электролит стекает в поддон 11.

Ч = (112-337) .10 мм/с.

Затем определяют плотность тока I при вибронаклепе и устанавливают ее в пределах

I = (2,0-2,5) 10 А/мм .

Таблица 1 им d, мм п8 V< 10 g, мг Ет

О, !00

0,4

0 050

4,7

3 5

192

1,2

112!

12

3,0

3,2

О, 100

0,4

0,030

4,9

2,1

50

3,6

О;019

2,5

0,250

0,050

4,7

0,020

4,5

60

4,2

4,0

100

150

2,2

200

2,1

2,3

300

350

4,6

1341

V - скорость плас9 тического деформирования, мм/с;

S — площадь контакk та упрочнителя с поверхностью в единицу времени, мк /с;

С, — время контакта упрочнителя с поверхностью,с, 225 8 одновременно с пластическим деформированием.

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю— шийся тем, что поверхностное пластическое деформирование осуществляют вибронаклепом посредством упрочнителя — шарика с ультразвуковой частотой.

0,020

0,020

0,015

0,015

О 015

0,015

0,015

0,019

0,020

0,020

0,015

0,015

0,020

0,020

0,020

0 015

0,013

0,015

0,019

1341225

Таблица 2

Расчетные значения оптимальной скорости стравливания при вибронаклепе чугунных деталей

V, ..10 мм/с

VPt 1O мм/с п S мм/с

6 =20 мм мм d им

4у=10 мм

=40 мм

4-12

0,8

0,4

0,10

4-12

20-40

0,8

0,4

3,2

1,6

0,20

6,4

3,2

1,6

0,03

0,05 10,0

0,03 10, О

5,0

2,5

0,25

150-300

5,0

2,5

Таблица 3

Износ, Коэффимг циент трения

Способ упрочнения

Вибронаклеп без стравливания

4,6-4,9 0,018

8,8-9,2 0,020

Вибронаклеп со стравливанием (по предлагаемому способу) 2,1-2,5 0,015

0,05 1,6

0,03 1,6

0,05 6,4

Стравливание и последующая обкатка роликами (по прототипу, оптимальный вариант) 15-45

70-210

75-220

110-330

120-360

Составитель А.Кулемин

Редактор Ю.Середа Техред А.Кравчук Корректор М.Максимишинец.

Заказ 4403/32 Тирах 549 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ухгород, ул.Проектная,4