Способ статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием

 

Использование: технология отделочно-упрочняющей обработки деталей из стали и сплавов поверхностным пластическим деформированием. Сущность изобретения: пластическое деформирование осуществляется инструментом, к которому нормально к обрабатываемой поверхности прикладывают постоянную статическую нагрузку и перпендикулярную импульсную нагрузку, которая сообщается посредством бойка и волновода. Предложены математические зависимости для определения формы, длительности и частоты единичных импульсов силы деформирования. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам отделочно-упрочняющей обработки деталей из сталей и сплавов поверхностным пластическим деформированием.

Известен способ упрочнения наружных цилиндрических поверхностей и галтельных переходов вибрирующим роликом [1] при котором сообщают движение подачи и скорости обработки инструменту и заготовке, контактирующим под приложенной к инструменту нормально к обрабатываемой поверхности постоянной статической и периодической импульсной нагрузкой от пневматического клепального молотка. Способ отличается большой энергоемкостью, низким КПД, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.

Известен способ чистовой и упрочняющей обработки деталей обкатыванием [2] при котором сообщают движения подачи и скорости обработки инструменту и заготовке, контактирующим под приложенной к инструменту нормально к обрабатываемой поверхности постоянной статической нагрузкой в диапазоне усилий, обеспечивающих движение заданной шероховатости, и периодической импульсной нагрузкой, изменяющейся в установленном диапазоне от минимального до максимального значения. При этом частоту пульсации нагрузки выбирают в зависимости от требуемой глубины наклепа. Способ отличается низким КПД, наибольшей глубиной упрочняющего слоя.

Технический результат изобретения расщирение технологических возможностей статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет повышения КПД процесса, увеличения глубины упрочненного слоя и степени упрочнения.

Технический результат достигается за счет более полной реализации энергии дополнительного импульсного воздействия, эффективного использования энергии отраженных волн деформации при воздействии импульсной нагрузки инструменту посредством бойка и волновода.

На фиг. 1 представлена схема статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием; на фиг. 2 схема формирования импульса силы деформации в пятне контакта инструмента и заготовки.

Способ статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием осуществляется следующим образом.

где Pk(t); Pk_i; Pk_max текущее значение гп i-том временном интервале и амплитуда динамической составляющей силы деформирования соответственно H; P_ст статическая составляющая силы деформирования, H; m количество волн деформации, действующих на обрабатываемую поверхность в течение одного динамического цикла; V скорость обработки, м/мин; i порядковый номер временного интервала и отраженного импульса; z количество импульсов, формирующих максимальную амплитуду силы деформирования; E[L₁/(2·L₂)] целая часть числа [L₁/(2·L₂)] D диаметр обрабатываемой поверхности, мм; R приведенный радиус деформирующей поверхности инструмента, мм;
S подача инструмента относительно обрабатываемой поверхности, мм/мин;
R_z высота микронеровностей обрабатываемой поверхности по R_z, мм;
НД величина пластической твердости обрабатываемого материала, МПа;
η_нд динамический коэффициент пластической твердости обрабатываемого материала;
W скорость перемещения бойка в момент удара по волноводу, м/с;
C₁, C₂ ударная жесткость бойка волновода соответственно, кг/с;
L₁, L₂ длина бойка и волновода соответственно, кг/с;
E₁, E₂ модуль упругости материала бойка и волновода соответственно, Па:
F₁, F₂ площадь поперечного сечения бойка и волновода соответственно, м₂;
ρ₁, ρ₂ плотность материала бойка и волновода соответственно, кг/м₃;
b, Ψ коэффициенты;
Заготовку 1 устанавливают в патроне 2 или (и) центрах 3 токарного станка, а деформирующее устройство 4, оснащенное механизмами статического и импульсного нагружения инструмента, в резцедержателе станка 5 (фиг. 1). Инструменту и заготовке сообщают движение подачи и скорости обработки, вводят их в контакт. В направлении нормали к обрабатываемой поверхности к деформирующему инструменту прикладывают постоянную статическую и периодическую импульсную нагрузку.

Статическое нагружение осуществляется, например, посредством пружины 6, смонтированной на волноводе 7. Величина статической силы деформирования выбирается наибольшей из обеспечивающих упругие контактные деформации обрабатываемого материала.

Импульсное нагружение осуществляется посредством удара бойка 8 по торцу волновода 7 (фиг. 2), являющегося инструментом. В результате удара в бойке и волноводе возникают ударные противоположно направленные импульсы одинаковой амплитуды и продолжительности, каждый из которых будет воздействовать на обрабатываемую поверхность с цикличностью, равной двойной продолжительности импульсов. Дойдя до обрабатываемой поверхности, ударный импульс распределяется на проходящий и отражающий. Проходящий импульс формирует динамическую составляющую силы деформирования.

Отраженный ударный импульс, дойдя до торца волновода, контактирует с бойком, распределяется между бойком и волноводом: часть его пойдет через боек, а часть, отразившись с противоположным знаком, вновь воздействует на обрабатываемую поверхность. При соотношении длины бойка и волновода больше двух (L₁/L₂>2) (фиг. 2) происходит наложение хвостовой части импульса силы деформирования, состоящей из накладывающихся друг на друга отраженных ударных импульсов, на головную часть. Текущее значение силы деформирования определяется по формуле

Pk_i=4·W·C₂·[C₁/(C₁+ C₂)]ⁱ⁺¹·(l-e^-b)·(e^-b)^i-1,(2)
z=E[L₁/(2·L₂)]
m=2·z,
b=k·2·L₁/(E₁·F₁),

а частота приложения импульсной нагрузки;
k коэффициент, характеризующий сопротивление обрабатывающего материала внедрению инструмента: k=2,3·10⁷.8·10⁷Н/м;
В результате статико-испульсной обработки поверхностным пластическим деформированем можно воздействовать на обрабатываемую поверхность импульсом заданной формы, амплитуды и продолжительности, адаптированной к обрабатываемому материалу, что позволяет повысить качество обрабатываемой поверхности детали. Предварительное статическое нагружение обрабатываемой поверхности в упругой области позволяет создавать условия для увеличения количества энергии динамического воздействия, затрачиваемого на пластическую деформацию.

Использование волновода при статико-импульсном упрочнении дает возможность увеличить амплитуду единичного импульса силы деформирования по сравнению с непосредственным ударным воздействием на обрабатываемую поверхность в 1,3.1,5 раза. Соответственно это увеличивает количество энергии, переданное обрабатываемой поверхности, в 2.2,3 раза:

где Ak_i количество энергии, переданное в обрабатываемую поверхность единичным импульсом силы деформации;
Ak количество энергии, передаваемое в обрабатываемую поверхность.

Боек и волновод выполняют в виде стержней одинакового диаметра, а соотношение их длин выбирают из диапазона 2.10 в зависимости от значения коэффициента, характеризующего сопротивление обрабатываемого материала внедрению инструмента, величина которого для металлов составляет 2,3·10₇.7,8·10₇ Н/м. Следуя указанным рекомендациям, можно увеличить амплитуду импульса силы деформирования, а следовательно, согласно (6), (7) и долю энергии, сообщаемой обрабатываемой поверхности, на 4.20%
Пример. Дано: для стали 20-НД=1440 МПа,
для стали 30ХГСА-НД=4710 МПа,
F₁=F₂=0,00049 м², E₁=E₂=2·10¹¹, L₁=0,6 м, L₂=0,06 м, W=10 м/с, ρ₁= ρ₂= 8000 кг/м³, R=5 мм.

Результаты расчета по формуле (2) приведены в таблице.

Из таблицы видно, что дополнительная энергия, получаемая за счет использования отраженных волн деформации, составляет для стали 20 около 6% для стали 30ХГСА 13%
Анализ полученных результатов показывает, что при увеличении сопротивления внедрения инструмента в металл увеличивается количество переданной энергии Ak в обрабатываемую поверхность под воздействием первого единичного импульса силы деформирования. Однако доля энергии накладываемых отраженных импульсов на первый уменьшается. Отсюда следует, что более податливый металл целесообразно обрабатывать при наибольшем соотношении длин бойка и волновода L₁/L₂ в пределах от 2 до 10.

Формула изобретения

Способ статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием, при котором к инструменту нормально к обрабатываемой поверхности прикладывают статическую нагрузку и периодическую импульсную нагрузку, отличающийся тем, что импульсная нагрузка сообщается посредством бойка и волновода, а форму, амплитуду, эффективную длительность и частоту единичных импульсов силы деформирования определяют по формулам


z E[L₁/(2L₂)]
m 2·z;
b K·2·L₁/(E₁·F₁);


где P_k(t), текущее значение, значение на i-м временном интервале и амплитуда динамической составляющей силы деформирования соответственно, H;
P_cт статическая составляющая силы деформирования, H;
N частота приложения импульсной нагрузки, мин^-1;
S подача инструмента, мм/об.

m количество волн деформации, действующих на обрабатываемую поверхность в течение одного динамического цикла;
v скорость обработки, м/мин;
i порядковый номер временного интервала и отраженного импульса;
z количество импульсов, формирующих максимальную амплитуду силы деформирования;
E[L₁/(2L₂)] целая часть числа [L₁/(2L₂)]
R_z требуемая высота микронеровностей по R_z, мм;
НД величина пластической твердости обрабатываемого материала, МПа;
η_НД - динамический коэффициент пластической твердости обрабатываемого материала;
W скорость перемещения бойка в момент удара по волноводу, м/с;
L₁, L₂ длина бойка и волновода соответственно, м;
C₁, C₂ ударная жесткость бойка и волновода соответственно, кг/с;
Е₁, Е₂ модуль упругости материала бойка и волновода соответственно, Па;
F₁, F₂ площадь поперечного сечения бойка и волновода соответственно, м²;
ρ₁, ρ₂ - плотность материала бойка и волновода соответственно, кг/м³;
b, Ψ - коэффициенты;
K коэффициент, характеризующий сопротивление обрабатываемого материала внедрению инструмента, K (2,3 8,0)·10⁷ Н/м.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величина статической составляющей силы деформирования выбирается наибольшей из обеспечивающих упругие контактные деформации обрабатываемой поверхности.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что боек и волновод выполнены в виде стержней одинакового диаметра, а длина бойка в 2 10 раз больше длины волновода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3