Способ комбинированной обработки шлифованием и поверхностным пластическим деформированием

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для чистовой обработки и упрочнения заготовок. Осуществляют круглое наружное шлифование заготовки, в конце рабочего цикла которого осуществляют обработку вращающейся заготовки шлифовальным кругом и упрочняющим элементом, относительно которых перемещают обрабатываемую заготовку. В качестве упрочняющего элемента используют индентор, имеющий с обрабатываемой поверхностью заготовки полосовой контакт и выполненный из материала, твердость которого превышает твердость материала обрабатываемой заготовки. Индентор располагают с вылетом относительно поверхности круга в ту или иную сторону в направлении движения подачи. Упрочняющему элементу сообщают амплитудно-модулированные колебания ультразвуковой частоты. В результате повышается производительность и качество обработки, уменьшается высота микронеровностей и формируются сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое обработанной заготовки. 1 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для чистовой обработки и упрочнения заготовок деталей типа тел вращения из различных металлов и сплавов.

Известен комбинированный способ шлифования с фрикционным поверхностным упрочнением по патенту РФ №2241587 (опубл. 10.12.2004, В24В 39/00). В соответствии с ним обработку выполняют комбинированным инструментом, содержащим общий корпус в виде втулки и расположенные на нем соосно шлифовальный круг и упрочняющий инструмент. Повышение производительности и качества обработки в указанном способе достигается за счет установки шлифовального круга с аксиальным смещением периферийного режущего слоя с обеспечением возможности восстановления наружного диаметра и изменения амплитуды осцилляции его режущего слоя, а упрочняющего инструмента - с возможностью наклона к плоскости, перпендикулярной общей оси вращения комбинированного инструмента.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что известный способ не обеспечивает эффективного упрочнения поверхностного слоя заготовки, поскольку значительная часть работы пластического деформирования затрачивается на перемещение волны пластически вытесненного упрочняющим инструментом материала заготовки. Кроме того, в процессе такой комбинированной обработки упрочненный слой снимается рабочей поверхностью шлифовального круга. В результате глубина упрочненного слоя относительно невелика.

Известен также способ комбинированной обработки шлифованием и поверхностным пластическим деформированием заготовок деталей типа тел вращения по патенту РФ №2006128862 (опубл. 20.02.2008, В24В 39/04), принятый за прототип. В соответствии с ним комбинированную обработку ведут шлифовальным кругом и упрочняющим инструментом в конце рабочего цикла круглого наружного шлифования с продольной подачей, на этапе выхаживания. Причем упрочняющий инструмент настраивают с натягом относительно прошлифованной поверхности, т.е. с вылетом относительно рабочей поверхности шлифовального круга, и перемещают в процессе обработки вместе со шлифовальным кругом вдоль обрабатываемой поверхности заготовки. При этом деформирующий инструмент располагают в одном сечении со шлифовальным кругом таким образом, чтобы вытесняемая деформирующим инструментом волна материала заготовки подрезалась кругом.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в качестве упрочняющего элемента используется индентор, форма пятна контакта которого с обрабатываемой поверхностью заготовки имеет форму эллипса, в результате чего упрочнение обрабатываемой поверхности в процессе обработки происходит неравномерно, и абсолютная величина сжимающих остаточных напряжений относительно невелика. Кроме того, данный процесс имеет низкую производительность вследствие потери им точности на скоростях, используемых при реализации предлагаемого способа.

Технический результат состоит в повышении качества комбинированной обработки за счет формирования в поверхностном слое обработанной детали сжимающих остаточных напряжений большей величины и увеличения производительности процесса путем наложения амплитудно-модулированных колебаний ультразвуковой частоты на упрочняющий элемент, причем в качестве последнего используется пластина, имеющая с обрабатываемой заготовкой полосовой контакт и выполненная из материала, твердость которого превышает твердость обрабатываемого материала.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе комбинированной чистовой обработки в конце цикла круглого наружного шлифования с продольной подачей, на этапе выхаживания, к обрабатываемой поверхности заготовки подводят упрочняющий элемент, имеющий с обрабатываемой поверхностью заготовки полосовой контакт и настроенный с натягом относительно операционного размера на шлифование, при этом упрочняющий элемент пластически деформирует и упрочняет поверхностный слой заготовки с одновременным образованием перед собой «волны» вытесненного материала. Вершина этой волны подрезается рабочей поверхностью шлифовального круга, при этом облегчаются условия работы выглаживателя, что способствует увеличению степени и глубины упрочнения. Использование амплитудно-модулированных ультразвуковых колебаний способствует значительному снижению усилий деформирования, необходимых для получения эквивалентных деформаций, позволяя уменьшить высоту микронеровностей в 2-3 раза, получить высокую поверхностную микротвердость, создать сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое.

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в том, что при выхаживании осуществляют подачу заготовки путем ее перемещения относительно шлифовального круга и упрочняющего элемента, а упрочняющему элементу сообщают амплитудно-модулированные колебания ультразвуковой частоты, при этом в качестве упрочняющего элемента используют индентор, выполненный в виде пластины из материала, твердость которого превышает твердость материала заготовки, имеющий с обрабатываемой заготовкой контактную полосовую поверхность и расположенный с вылетом относительно поверхности круга в ту или иную сторону в направлении движения подачи.

Это позволяет повысить качество обработки вследствие уменьшения высоты микронеровностей и формирования сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое обработанной детали, а также увеличить производительность до 2 раз при сохранении или улучшении параметров качества поверхностного слоя обработанной детали.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления, заключаются в следующем.

Сущность изобретения состоит в том, что комбинированную обработку вращающейся заготовки ведут шлифовальным кругом и упрочняющим инструментом в конце рабочего цикла круглого наружного шлифования с продольной подачей, на этапе выхаживания, относительно которых перемещают обрабатываемую заготовку. В качестве упрочняющего элемента используют индентор, имеющий с обрабатываемой поверхностью заготовки полосовой контакт. Индентор, выполненный из материала, твердость которого превышает твердость обрабатываемого материала, прижимают к прошлифованной поверхности и располагают в одном сечении со шлифовальным кругом таким образом, чтобы вытесняемая упрочняющим инструментом волна материала заготовки подрезалась кругом, а сам упрочняющий элемент был настроен с вылетом относительно поверхности круга в ту или иную сторону в направлении движения подачи. В результате подрезки волны кругом уменьшается доля работы упрочняющего элемента, затрачиваемая на деформирование и перемещение этой волны, и увеличивается доля, непосредственно затрачиваемая на упрочнение поверхностного слоя заготовки. При этом упрочняющему элементу сообщают амплитудно-модулированные колебания ультразвуковой частоты, которые существенно снижают затраты на трение в зоне обработки, а следовательно - снижают теплосиловую напряженность.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежом, на котором представлены варианты комбинированной обработки. На схеме показаны:

1 - шлифовальный круг;

2 - заготовка;

3 - упрочняющий инструмент;

а, б, в - варианты относительного положения круга и упрочняющего элемента.

Комбинированной упрочняющей обработке подвергали цилиндрические заготовки диаметром 50 мм и длиной 170 мм, изготовленные из конструкционной стали 40Х, инструментальной быстрорежущей стали Р18 и коррозионно-стойкой подшипниковой стали 95Х18. Обработку осуществляли на круглошлифовальном станке мод. 3М151 В шлифовальным кругом 24А25НС17К26 с режимами: рабочая скорость круга 50 м/с, окружная скорость заготовки - 20 м/мин, СОЖ - 3% эмульсия Автокат-Ф78, общий объемный расход СОЖ 15 л/мин, подача 0,02 мм/ход, окружная скорость заготовки 20 м/мин, скорость продольной подачи стола - 30 мм/мин; глубина резания - 0,02 мм. В качестве СОЖ использовали 3%-ную эмульсию продукта Автокат-Ф78, которую подавали с объемным расходом 20 дм³/мин.

В результате комбинированной упрочняющей обработки глубина залегания сжимающих остаточных напряжений увеличилась до 3 раз при значении среднего арифметического отклонения профиля обработанной поверхности до 0,1 мкм.

Способ комбинированной обработки, включающий круглое наружное шлифование заготовки, в конце рабочего цикла которого осуществляют обработку вращающейся заготовки шлифовальным кругом и упрочняющим элементом, относительно которых перемещают обрабатываемую заготовку, отличающийся тем, что в качестве упрочняющего элемента используют индентор, имеющий с обрабатываемой поверхностью заготовки полосовой контакт, расположенный с вылетом относительно поверхности круга в ту или иную сторону в направлении движения подачи и выполненный из материала, твердость которого превышает твердость материала обрабатываемой заготовки, при этом упрочняющему элементу сообщают амплитудно-модулированные колебания ультразвуковой частоты.