способ обработки детали поверхностным пластическим деформированием

Формула изобретения

СПОСОБ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛИ ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ, включающий деформирующее воздействие упрочняющего инструмента на обрабатываемую поверхность вращающейся цилиндрической детали, отличающийся тем, что в поверхностном слое обрабатываемой детали в процессе обработки в направлении, противоположном тангенциальной составляющей силы обкатывания, создают напряжения кручения, максимальная величина которых равна

_макс= (0,35...0,60)



где G_м предел текучести обрабатываемого материала, кг/мм²;

R приведенный радиус кривизны контактирующих поверхностей, мм;

H толщина упрочненного слоя поверхности детали, мм.

коэффициент Пуассона,

K показатель дислокационной насыщенности обрабатываемого материала, равный отношению текущего значения плотности дислокации материала r, полученной на предыдущей операции, к ее исходному значению _исх.

K=/_исх;

K -коэффициент компактности элементарной ячейки кристаллической решетки обрабатываемого материала;

D диаметр обрабатываемой детали, мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к процессам финишной обработки поверхностей деталей машин.

Известен способ обработки детали поверхностным пластическим деформированием, при котором обрабатываемой детали сообщается вращение, а деформирующий инструмент прижимают к обрабатываемой поверхности с определенным усилием, сообщая ему продольную подачу [1]

Недостатком известного способа обработки детали поверхностным пластическим деформированием является низкое качество обработанной поверхности, которое выражается в неравномерном распределении физико-механических свойств материала поверхностного слоя и его неоднородном микрорельефе.

Известен способ упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием, при котором инструменту сообщают ультразвуковые колебания с изменяющейся амплитудой и перемещают его эквидистантно обрабатываемой поверхности, а детали вращение с образованием на ней регулярного микрорельефа, причем амплитуду ультразвуковых колебаний изменяют ступенчато в зависимости от требуемого параметра микрорельефа, размеров детали и угловой скорости ее вращения [2]

Недостатком известного способа упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием является низкая стойкость инструмента при высокой энергоемкости процесса обработки.

Известен способ обработки поверхностным пластическим деформированием, при котором детали сообщают вращение, а цилиндрический инструмент прижимают к обрабатываемой поверхности с постоянным усилием деформирования и осуществляют его покачивание вокруг оси, проходящей по нормали к обрабатываемой поверхности через центр пятна контакта инструмента с деталью, причем для образования регулярного рельефа в виде наклонных канавок осуществляют поворот цилиндрического инструмента в сторону канавок, а угол поворота выбирают больше предельного угла покачивания инструмента в другую сторону [3]

Указанный способ обработки детали поверхностным пластическим деформированием принят за прототип.

Недостатком известного способа обработки детали поверхностным пластическим деформированием является невысокая эффективность процесса, которая выражается низкой производительностью обработки и низкой стойкостью инструмента, обусловленной поворотом его и принудительным покачиванием при пластическом деформировании металла.

Задачей изобретения является повышение эффективности способа обработки детали поверхностным пластическим деформированием.

Для достижения технического результата в поверхностном слое вала в процессе обкатки в направлении, противоположном тангенциальной составляющей силы обкатывания, создают напряжения кручения, максимальную величину которых определяют по формуле

_макс= (0,35.0,60) e^0,1K K

где _m предел текучести обрабатываемого материала, кг/мм²;

R приведенный радиус кривизны контактирующих поверхностей, мм;

Н толщина упрочненного слоя поверхности обработанной детали, мм;

коэффициент Пуассона;

K показатель дислокационной насыщенности обрабатываемого материала, равный отношению текущего значения плотности дислокаций материала , полученной на предыдущей операции, к ее исходному значению _исх.

K / _исх. К коэффициент компактности элементарной ячейки кристаллической решетки обрабатываемого материала;

D диаметр обрабатываемой детали, мм.

Сущность способа состоит в том, что в обрабатываемом материале в процессе поверхностной пластической деформации создают дополнительные напряжения кручения, направление которых противоположно направлению возникающей тангенциальной составляющей силы обкатки. Создаваемые напряжения кручения снижают величину тангенциальной составляющей силы обкатки, в результате чего уменьшается температура в зоне пластических деформаций, так как тепло деформации при отделочно-упрочняющей обработке деталей пропорционально тангенциальной силе (с. 18). Уменьшаются потери работы деформации на трение; происходит перераспределение дислокации кристаллической решетки металла, приводящее к повышению статистической однородности качественных показателей поверхностного слоя обработанной детали. Уменьшается высота неровностей обработанной поверхности. В результате повышаются износостойкость и усталостная прочность металлов и стойкость упрочняющего инструмента.

Создаваемые напряжения кручения не должны вызывать в обрабатываемом материале лавинного образования и перемещения дислокаций по плоскостям скольжения, что привело бы к резкому возрастанию тангенциальной составляющей силы обкатки и снижению эффективности отделочно-упрочняющей обработки. Поэтому величина создаваемых в обрабатываемом материале максимальных напряжений кручения должна назначаться с учетом типа кристаллической решетки материала, характеризуемой коэффициентом компактности элементарной ячейки, состояния дислокационной структуры материала, полученного на предыдущей операции механической обработки и выражаемого через показатель дислокационной насыщенности обрабатываемого материала K равного отношению текущего значения плотности дислокации к ее исходному значению _исх.K / _исх. а также подвижности дислокации, которая для кручения определяется экспоненциальной зависимостью e^{0,1 K} и обусловлена энергией упругих искажений ядра дислокации, где коэффициент Пуассона.

Максимальная величина напряжений кручения в поперечном сечении цилиндрической детали определяется по формуле

_макс= где М_кр прикладываемый к обрабатываемой детали дополнительный крутящий момент;

W_р полярный момент сопротивления; для сплошного сечения обрабатываемого вала диаметром D W_p 0,2D³;

Максимальная величина прикладываемого к обрабатываемому валу крутящего момента М_кр равна

M_кр= P_т где Р_т тангенциальная составляющая силы откатки;

Р_т/Р_н 0,07-0,12, где Р_н нормальная составляющая силы обкатки (I, с. 12-13).

Но Р_н 2 _m (1 + 0,07R)² H², где _m предел текучести обрабатываемого материала;

R приведенный радиус кривизны контактирующих поверхностей;

Н толщина упрочненного слоя обработанной поверхности детали (I, с. 48).

Тогда максимальная величина прикладываемого к обрабатываемому валу крутящего момента М_кр равна

М_кр (0,07-0,12) _m (1+0,07R)² H² D, а максимальная величина напряжений кручения в поперечном сечении детали с учетом особенностей кристаллического строения материала определяется по формуле

_макс= (0,35.0,60) e^0,1K K

Практическое осуществление способа обработки детали поверхностным пластическим деформированием сводится к закреплению детали в приспособлении (например, трехкулачковом патроне передней бабки токарного станка); создании при помощи дополнительного устройства в обрабатываемом материале напряжения кручения (например, в результате создания крутящего момента на противоположном конце обрабатываемого вала, закрепленном в трехкулачковом патроне специального устройства, установленном на месте задней бабки токарного станка); подводе к обрабатываемому валу отделочно-упрочняющего инструмента; создании необходимого усилия деформирования, обусловленного требуемой толщиной упрочненного слоя Н; включении на станке вращения детали и движения продольной подачи инструмента.

На фиг.1 представлена схема практического осуществления способа обработки детали поверхностным пластическим деформированием, где 1 обрабатываемая деталь, 2 инструмент, 3 патрон передней бабки станка, 4 патрон задней бабки станка, 5 задняя бабка, в которой помещается устройство для создания напряжения кручения в обрабатываемом материале. На фиг.2 приведена принципиальная схема устройства создания напряжения кручения в обрабатываемом материале, где 1 шкив, 2 тормозная лента, 3 пружина, 4 натяжная поворотная шайба, 5 опорный стакан, 6 измерительная шкала.

Для сравнения выполнена обработка партий деталей поверхностным пластическим деформированием двумя способами по прототипу и по предлагаемому способу. Обработке поверхностным пластическим деформированием подвергались валики из стали 20ХН ( _m 65 кг/мм²) длиной 480 мм и диаметром 40 мм, которые устанавливались и закреплялись на токарно-винторезном станке мод. 1И611П, имеющем устройство для создания напряжения кручения в обрабатываемом материале. Предварительно валики подвергались шлифованию на круглошлифовальном станке мод. 3А151, в результате чего средний показатель дислокационной насыщенности составил K 120. В качестве инструмента использовался роликовый обкатник из закаленной быстрорежущей стадии Р6М5 диаметром 48 мм и радиусом рабочего профиля R 12 мм. Усилие деформирования составляло 1,5 кН, что должно обеспечить толщину упрочненного слоя обработанной поверхности детали Н 0,6 мм. Условия поверхностного пластического деформирования по прототипу: амплитуда покачивания инструмента 5,6 мм; угол поворота инструмента 10^о. Условие поверхностного пластического деформирования по предлагаемому способу; _макс 0,35 кг/мм² 3,5 МПа, что достигалось созданием в устройстве, расположенном в задней бабке токарного станка, тормозящего момента, равного 4,48 кг м.

Полученные средние значения показателей эффективности способов обработки деталей поверхностным пластическим деформированием по прототипу и предлагаемому приведены в таблице. Анализ представленных данных показывает, что предлагаемый способ обработки детали поверхностным пластическим деформированием металла позволяет в 1,2-1,3 раза повысить производительность обработки, в 1,5-1,8 раза повысить стойкость используемого инструмента, на 15-20% улучшить однородность показателей качества обработанной поверхности детали.