Способ отделочно-упрочняющей обработки наружных цилиндрических поверхностей с наложением ультразвуковых крутильных колебаний

 

Изобретение относится к методам чистовой обработки металлов давлением, в частности к методам чистовой отделочно-упрочняющей обработки наружных цилиндрических поверхностей с применением ультразвуковых крутильных колебаний, прикладываемых к инструменту. Способ отделочно-упрочняющей обработки наружных цилиндрических поверхностей вращающихся деталей включает воздействие на поверхность инструментом с деформирующим элементом, передвигающимся вдоль обрабатываемой детали, совершающим ультразвуковые крутильные колебания и одновременное перемещение по двум координатам в плоскости, касательной к поверхности детали. Способ дает возможность повысить степень деформации поверхностного слоя, сократить длительность приработки трущихся деталей, получить различные виды частично регулярных и регулярных микрорельефов трущихся деталей машин, что позволяет повысить их износостойкость до требуемой величины с меньшими затратами на обработку, а следовательно, увеличить их надежность и долговечность работы. Степень наклепа обкатанной поверхности увеличивается в среднем до 35%, глубина упрочненного слоя при этом изменяется в пределах 0,4-1,25 мм. 2 ил.

Изобретение относится к методам чистовой обработки металлов давлением, в частности к методам чистовой отделочно-упрочняющей обработки наружных цилиндрических поверхностей с применением ультразвуковых крутильных колебаний, прикладываемых к инструменту.

Известны способы чистовой отделочно-упрочняющей обработки с наложением ультразвуковых колебаний [1, 2].

Недостатком известных способов ультразвуковой отделочно-упрочняющей обработки является то, что они позволяют получить колебания деформирующего элемента (эдентора) только в одном направлении относительно оси детали: продольном, радиальном или тангенциальном.

Известны устройства, позволяющие получить ультразвуковые крутильные колебания на выходном торце инструмента [3, 4], содержащие магнитострикционный преобразователь, концентратор. Недостаткoм этих устройств является сложность конструкции магнитострикционного преобразователя [3] или изготовленного по специальной технологии концентратора [4].

Наиболее близким устройством, с помощью которого можно реализовать предлагаемый способ обработки, является устройство для ультразвуковой отделочно-упрочняющей обработки наружных цилиндрических поверхностей [5].

Технический результат - увеличение степени деформации поверхностного слоя детали, улучшение качества обработанной поверхности детали, повышение надежности и долговечности ее работы, сокращение длительности приработки путем изменения состояния поверхностного слоя детали за счет его упрочнения и получение регулярного или частично регулярного профиля поверхности.

Получение технического результата обеспечивается в результате воздействия на обрабатываемую поверхность вращающейся детали деформирующим элементом за счет его перемещения одновременно по двум координатам в плоскости, касательной к поверхности детали, при сообщении деформирующему элементу ультразвуковых крутильных колебаний от устройств 3, 4, 5 и передвижении его относительно обрабатываемой детали.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого способа отделочно-упрочняющей обработки наружных цилиндрических поверхностей вращающихся деталей с наложением ультразвуковых крутильных колебаний.

На фиг. 2 показана траектория движения деформирующего элемента при его произвольном положении на выходном торце концентратора.

Деформирующий элемент 1 устанавливается на выходном торце ультразвукового концентратора 2, которому сообщаются крутильные ультразвуковые колебания с амплитудой А_К от любого из устройств 3, 4, 5 (фиг.1). При этом деформирующий элемент 1 совершает перемещения одновременно по двум координатам х и y в плоскости, касательной к поверхности обрабатываемой детали 3, за счет движения по дуге КС окружности радиусом е (фиг.2). Смещение деформирующего элемента 1 от оси ультразвукового концентратора 2 может изменяться от e=0 (оси деформирующего элемента 1 совмещены с осями х и y ультразвукового концентратора 2) до е=e_max (определяется диаметром D выходного торца ультразвукового концентратора). Деформирующий элемент 1, совершающий ультразвуковые крутильные колебания по дуге окружности радиусом е и перемещающийся относительно детали с подачей s, под действием статической силы P₀ и динамической силы F_A пластически деформирует поверхностный слой детали 3, вращающейся со скоростью n (фиг.1).

При смещении деформирующего элемента 1 от оси ультразвукового концентратора 2 на величину е амплитуда его крутильных колебаний определяется по формуле где е - смещение деформирующего элемента 1 от оси ультразвукового концентратора 2; A_k - максимальная амплитуда ультразвуковых крутильных колебаний, создаваемая ультразвуковой колебательной системой на выходном торце диаметром D ультразвукового концентратора 2; D - диаметр выходного торца ультразвукового концентратора 2.

Максимальная амплитуда ультразвуковых крутильных колебаний на периферии деформирующего элемента 1 где d₀ - диаметр отпечатка деформирующего элемента 1 на поверхности детали 3 под действием статической силы Р₀.

Ось колебаний деформирующего элемента ОК_i в касательной плоскости по отношению к оси детали ОД может быть параллельна (ОК₀) - при этом γ=0, перпендикулярна или занимать промежуточное положение (OK_i) - 0^o<γ<90 (γ - угол смещения оси колебания деформирующего элемента 1 относительно оси детали 3).

При сообщении ультразвуковых крутильных колебаний деформирующему элементу 1 траектория его перемещения будет представлять дугу окружности радиусом е. При этом амплитуда ультразвуковых крутильных колебаний А_К может быть представлена в виде двух составляющих: амплитуды ультразвуковых колебаний деформирующего элемента 1 в тангенциальном направлении А_t и амплитуды колебаний деформирующего элемента 1 в продольном направлении А_s.

В зависимости от угла смещения γ оси колебания ОК_i деформирующего элемента 1 относительно оси детали 3 ОД изменяется величина отношения амплитуды колебаний деформирующего элемента 1 в тангенциальном направлении A_t к амплитуде колебаний деформирующего элемента 1 в продольном направлении А_s: На фиг. 2 показана схема для расчета амплитуд колебаний А_t и А_s деформирующего элемента 1.

Деформирующий элемент 1 перемещается по траектории КЕС с амплитудой колебания А_К относительно оси ОЕ на угол колебания α. Угол колебания α деформирующего элемента 1 определяется по формуле
Хорда КС может быть определена как
KC=2•e•sin(α/2).

Из треугольника KCD амплитуда колебаний деформирующего элемента 1 в тангенциальном направлении А_t выражается соотношением
A_t=KC•sin(90^o-γ)
или
A_t=2•e•sin(α/2)•sin(90^o-γ).

Амплитуда колебаний деформирующего элемента 1 в продольном направлении А_s:
A_s=KC•cos(90^o-γ)
или
A_s=2•e•sin(α/2)•sin(90^o-γ).

При расположении деформирующего элемента 1 на осях х и y ультразвукового концентратора 2 (в точке О) будет справедливо выражение
A_{t max}=A_{s max}=d₀•sin(α/2).

Таким образом, в зависимости от угла смещения γ деформирующего элемента 1 будет изменяться соотношение величин амплитуды колебания А_t и A_s в тангенциальном и в продольном направлении. При угле смещения γ, близком к 90^o, преобладают продольные колебания деформирующего элемента 1, а при γ, стремящемся к 0^o, преобладают тангенциальные колебания. При угле смещения γ=45^o A_t=A_s.

Предлагаемый способ был опробован в промышленных условиях. Результаты испытаний показали, что сообщение крутильных колебаний деформирующему элементу позволяет снизить статическую силу Р₀ до 0,9 кг (9 Н), тогда как при других способах ультразвукового упрочнения эта величина составляет до 30 Н [2] . Шероховатость обкатанной поверхности улучшилась на 1 класс, глубина упрочненного слоя составляла в среднем 0,8 мм. Кроме того, данный метод при определенных режимах (скорости вращения детали n, подаче деформирующего элемента s, амплитуде ультразвуковых крутильных колебаний А_К и угле смещения оси колебания γ) позволяет получать различные виды частично регулярных микрорельефов, соответствующих [6]. В частности, были получены следующие виды частично регулярных микрорельефов: с отсутствием пересечения регулярных микронеровностей, с неполным пересечением регулярных микронеровностей, с полным пересечением регулярных микронеровностей, с кольцевым расположением регулярных микронеровностей.

Достоинства предлагаемого способа:
1. Повышение степени деформации поверхностного слоя (по сравнению с другими способами) за счет смещения деформирующего элемента относительно оси концентратора, сообщения ему ультразвуковых крутильных колебаний, в результате чего он (деформирующий элемент) получает перемещения одновременно по двум координатам в плоскости, касательной к поверхности обрабатываемой детали. Увеличение степени деформации позволяет улучшить количественные характеристики состояния поверхностного слоя.

2. Шероховатость обкатанной поверхности улучшается на 1 класс. При изменении положения деформирующего элемента относительно осей ультразвукового концентратора происходит изменение соотношения между тангенциальной и продольной составляющих амплитуды ультразвуковых колебаний, в результате чего происходит дополнительное пластическое деформирование и, следовательно, дополнительное сглаживание неровностей.

3. Увеличивается относительная опорная поверхность (в среднем на 45%), что приводит к сокращению длительности приработки трущихся деталей.

4. Степень наклепа обкатанной поверхности составляет в среднем 35%, глубина упрочненного слоя изменяется в пределах 0,4-1,25 мм.

5. Снижение статической силы (усилия прижима деформирующего элемента к обкатываемой детали), что позволяет обрабатывать маложесткие и тонкостенные детали.

6. Способ позволяет получать различные виды частично регулярных и регулярных микрорельефов за счет изменения эксцентриситета и угла смещения деформирующего элемента относительно осей концентратора, в результате чего изменяется соотношение тангенциальной и продольной составляющих амплитуды ультразвуковых колебаний, которое, в свою очередь, и определяет регулярность профиля. Применение частично регулярных микрорельефов поверхностей трущихся деталей машин позволяет повысить их износостойкость до требуемой величины с меньшими затратами на обработку, а следовательно, увеличить их надежность и долговечность работы.

Таким образом, заявляемый способ полностью выполняет поставленную цель.

Литература
1. Муханов И. И. Импульсная упрочняющая обработка деталей машин ультразвуковым инструментом: Учебное пособие для слушателей заочных курсов повышения квалификации ИТР по применению ультразвука в машиностроении. М.: Машиностроение, 1978. 44 с.

2. Кумабэ Д. Вибрационное резание: Пер. с яп. С.Л. Масленникова / Под ред. И.И. Портнова, В.В. Белова. - М.: Машиностроение, 1985. - 424 с.

3. Силин Л. Л., Баландин Г.Ф., Коган М.Г. Ультразвуковая сварка. / Под ред. Н.Н. Рыкалина. - М.: Машгиз, 1962, с. 252.

4. Северденко В. П., Клубович В.В., Степаненко А.И. Ультразвук и пластичность. - Минск: Наука и техника, 1976, с. 448.

5. Патент RU 2095217 С1, кл. 6 В 23 Р 9/00, 1997. Гаврилова Т.М., Осипенкова Г. А. , Карпов Л.И., Молодавкина Л.Ю. Устройство для ультразвуковой отделочно-упрочняющей обработки наружных цилиндрических поверхностей. Бюл. 31 от 10.11.97.

6. ГОСТ 24773-81. Поверхности с регулярным микрорельефом. Классификация, параметры и характеристики. М.: Издательство стандартов, 1981. 13 с.

Формула изобретения

Способ отделочно-упрочняющей обработки наружных цилиндрических поверхностей вращающихся деталей, включающий воздействие на поверхность инструментом с деформирующим элементом, передвигающимся вдоль обрабатываемой детали и совершающим ультразвуковые крутильные колебания, отличающийся тем, что при воздействии на поверхность деформирующим элементом осуществляют его одновременное перемещение по двум координатам в плоскости, касательной к поверхности детали.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2