способ импульсной термомеханической обработки металлических изделий и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ импульсной термомеханической обработки металлических изделий, включающий нагрев поверхности изделия выше температуры закалки при одновремнном приложении усилия к поверхности и охлаждение, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности процесса обработки и расширения технологических возможностей, обработку изделия производят в среде рабочего газа, при этом нагрев и приложение усилия осуществляют путем импульсного сжатия и расширения газа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочего газа используют инертный газ.

3. Устройство для импульсной термомеханической обработки металлических изделий, содержащее средство для нагрева и давления на поверхность изделия и узел крепления изделий, отличающееся тем, что средство для нагрева и оказания давления на поверхность изделия выполнено в виде герметичной трубы с днищами, клапанами, с последовательно расположенными в полости на заданном расстоянии друг от друга и от днищ с возможностью фиксации поршнями и перепускными каналами, первый из поршней выполнен сплошным, а перепускные каналы выполнены в поршнях или во внутренней стенке трубы перед каждым поршнем после первого, при этом узел крепления установлен в днище трубы со стороны перепускных каналов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для упрочнения и повышения коррозионной стойкости металлических изделий.

В настоящее время известен ряд способов импульсной термомеханической обработки металлов и сплавов. Известные способы характеризуются приложением высокой удельной энергии, импульсным ее воздействием на относительно малые объемы твердого тела (приповерхностные слои) и последующим охлаждением с большими скоростями. В результате интенсивного нагрева, одновременной пластической деформации, вызываемой высоким контактным давлением, и быстрого охлаждения возникает новый эффект - образование структуры повышенной твердости и износостойкости, обладающей высокой коррозионной стойкостью (1).

Создание технологичных, надежных и высокопроизводительных способов получения таких структур является весьма актуальной задачей.

Известен электрогидроимпульсный способ обработки. Сущность его заключается в импульсном высоковольтном разряде и жидкости. При этом, в канале разряда, где размещается обрабатываемое изделие, возникают высокие температуры и давления. Способ позволяет обрабатывать поверхность изделий за один импульс, однако размеры обрабатываемых изделий ограничены в связи с трудностью создания канала разряда большого объема. Кроме того, ввиду очень малой продолжительности процесса обработки (менее 0,1 мс), величина упрочненного слоя сравнительно мала и в нем могут возникать трещины. Использование данного способа усложняется необходимостью наличия для его реализации силового высоковольтного (десятки киловольт) питания, обеспечения надежной электроизоляции и соответствующих мер электробезопасности.

Известный способ же обработки при размещении изделия вне канала разряда, фактически, не является термомеханическим, так как здесь трудно реализовать высокие температуры, воздействующие на изделие, в связи с высокой теплоемкостью рабочей жидкости.

Другие известные способы термомеханической обработки (механоультразвуковая, лазерная и специальное точение) не обеспечивают требуемой производительности, так как в них обработка поверхности изделия проводится последовательно малыми элементами при сравнительно медленной подаче упрочняющего инструмента (например, ультразвукового индентора) или самого изделия. При этом невозможно добиться однородности обработанной поверхности, особенно значительной площади, так как воздействие в этих способах является практически точечным.

Наиболее близким к настоящему изобретению (прототипом) является способ импульсной термомеханической обработки металлических изделий.

Известный способ заключается в нагреве поверхности изделия за счет трения о вращающийся диск при одновременном механическом давлении диска и охлаждении. Подача инструмента в этом способе происходит со скоростями не более 0,1 м/c. При этом для охлаждения обрабатываемого изделия в зону контакта изделие - инструмент вводят масло или другие углеводороды. В связи с тем, что в контакт с инструментом последовательно вступают малые площадки поверхности (например, в виде узких полос), данному техническому решению присущи практически те же недостатки, которые отмечены у аналогов. Известный способ не обеспечивает требуемой производительности при обработке изделий сложной конфигурации. Кроме того, им весьма сложно обрабатывать тонкостенные изделия и режущие кромки инструментов (сверл, фрез), что ограничивает его технологические возможности. Удельное давление на поверхность в этом способе ограничено сверху, поскольку его повышение может привести к схватыванию трущихся поверхностей, массопереносу в зоне контактного трения и появлению задиров, что снижает качество обрабатываемой поверхности.

Целью настоящего изобретения является повышение производительности процесса обработки и расширение технологических возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что обработку производят в среде рабочего газа путем его импульсного сжатия и расширения.

В качестве рабочего газа может быть использован инертный газ.

Устройство для осуществления предложенного способа отличается тем, что средство для нагрева и оказания давления на поверхность изделия выполнено в виде герметичной трубы с последовательно расположенными подвижными поршнями, закрытой с обеих сторон днищами и оснащенной системой газоснабжения и фиксации поршней в исходной положении, поршни отделены от днищ и друг от друга промежутками, между первым днищем и ближайшим к нему основным поршнем расположен источник первичной энергии, при этом основной поршень выполнен сплошным, а во всех остальных выполнены сквозные перепускные каналы, проходящие через торцы поршней, узел крепления изделия установлен на втором днище, причем обрабатываемые части изделия расположены внутри трубы, а полость трубы между основным поршнем и вторым днищем заполнена рабочим газом.

Устройство может быть выполнено в варианте со всеми сплошными поршнями, при этом перепускные каналы в виде направленных вдоль оси трубы пазов во внутренней стенке ствола расположены перед каждым поршнем, за исключением основного.

Сущность изобретения заключается в использовании в качестве инструмента для нагрева и оказания воздействия на поверхность обрабатываемого изделия газовой среды. Нагрев и повышение плотности среды осуществляют ее импульсным сжатием, после чего давление газа быстро сбрасывают, что ведет к резкому падению его температуры в результате расширения. При этом предварительно помещенное в газовую среду обрабатываемое изделие подвергается импульсному всестороннему воздействию плотного нагретого газа; на него осуществляется давление и оно нагревается. Ввиду кратковременности процесса обработки наибольшему воздействию подвержены приповерхностные слои изделия, которые могут нагреваться за импульс выше температуры закалки материала. После сброса давления газовой среды происходит быстрое охлаждение приповерхностных слоев за счет отвода тепла внутрь материала изделия.

Предложенный способ дает возможность путем варьирования температурой, давлением и составом рабочей газовой среды осуществлять различные уровни воздействия на поверхность обрабатываемого изделия, включая ее пластическую деформацию и насыщение дополнительными компонентами, что обеспечивает получение структуры повышенной твердости и износостойкости, обладающей высокой коррозионной стойкостью.

В предложенном способе в процессе поверхностной пластической деформации, совмещенной с импульсным нагревом и охлаждением, происходит изменение структуры приповерхностных слоев и микрорельефа поверхности. Одновременное воздействие на все участки обрабатываемой поверхности ведет к достижению высокой однородности ее свойств. Увеличиваются радиусы кривизны вершин микронеровностей и уменьшается их высота. Одновременно происходит измельчение зерна приповерхностных слоев материала и повышение плотности дислокаций.

Повышение износостойкости обработанной поверхности получается в результате увеличения опорной поверхности изделия, повышения ее твердости и снижения балла зерна в приповерхностных слоях.

Использование в качестве рабочей газовой среды инертного газа позволяет ускорить нагрев обрабатываемой поверхности за счет излучения газа. Наилучшие излучательные свойства при нагреве проявляют именно инертные газы, что связано с их сравнительно низким потенциалом ионизации (например, у А - 15,7 эВ; у Х_е - 12,1 эВ). Кроме того, предпочтительно использовать при сжатии одноатомные газы, так как по сравнению с многоатомными, достижение одинаковой температуры их происходит при более низком давлении.

Устройство для осуществления предложенного способа обеспечивает импульсное сжатие и расширение рабочей газовой среды с требуемыми для достижения поставленной цели параметрами, а также дает возможность реализовать частотный режим работы, что ведет к повышению производительности установки.

Устройство в исполнении с двумя поршнями при использовании в качестве рабочей газовой среды инертного газа (Х_е или А) обеспечивает характерное время термомеханической обработки изделия в районе 10^-2-10^-3 с.

Использование в предложенном устройстве нескольких последовательно расположенных поршней, разделенных промежутками с рабочим газом, позволяет осуществить его многоступенчатый нагрев. Нагретая при сжатии между первой парой поршней порция газа в процессе сжатия перетекает через перепускной канал в полость перед вторым поршнем, где полученная смесь нагретого и холодного рабочего газа, имеющая более высокую температуру, чем исходная, снова сжимается уже вторым поршнем и далее пропускается в следующую межпоршневую полость и т. д.

Такая конструктивная схема устройства позволяет понизить уровень давления рабочего газа в камере с обрабатыванием изделием при сохранении требуемой температуры, а также изменять время воздействия на изделие. В результате предложенное устройство дает возможность иметь различные сочетания параметров воздействия в частности, например, реализовать различные давления на обрабатываемое изделие при одной и той же температуре газовой среды, что расширяет технологические возможности способа.

Таким образом, предложенное изобретение обеспечивает повышение производительности процесса термомеханической обработки и позволяет быстро обрабатывать изделия сложной формы, тонкостенные и такие, упрочнение которых контактным способом (при механическом воздействии инструмента) невозможно.

Фактов использования в способах импульсной термомеханической обработки металлических изделий одновременного воздействия на всю обрабатываемую поверхность нагретого при сжатии и быстро расширенного рабочего излучающего газа, обеспечивающего нагрев приповерхностных слоев изделия выше температуры закалки и одновременную их пластическую деформацию, неизвестно. Это позволяет сделать вывод о соответствии предложенного изобретения критериям "новизна" и "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена схема одного из вариантов выполнения устройства для осуществления предложенного способа.

Устройство состоит из герметичной трубы 1 с двумя последовательно расположенными подвижными поршнями: основным 2 и дополнительным 3, закрытой с обеих сторон днищами 4 и 5. В поршне 3 выполнен сквозной перепускной канал 10. Между днищем 4 и поршнем 2 образована камера 6, где расположен источник первичной энергии, а полости трубы между поршнями и перед поршнем 3 образуют камеры 11 и 12. В днище 5 установлен узел крепления 13 с подлежащим обработке изделием 14. Устройство снабжено клапанами 7 и 8 системы газоснабжения, дренажным клапаном 9, а также фиксаторами поршней 15 и 16.

Работает устройство следующим образом.

Поршни 2 и 3 фиксируются в исходном положении, через клапан 8 в полость ствола между поршнем 2 и днищем 5 вводится рабочий газ, после чего клапан 8 закрывается. Задействуется источник первичной энергии, расположенный в камере 6. В данном конкретном примере источником служит газ высокого давления, подаваемый через клапан 7. После подачи газа клапан 7 закрывается. Далее поршни 2 и 3 освобождаются от фиксаторов 15, 16 и под действием разности давлений на основания поршень 2 начинает ускоренно двигаться в сторону поршня 3, сжимая и нагревая газ в межпоршневой камере 11. Возрастающее давление в камере 11 воздействует на поршень 3, который начинает двигаться к днищу 5. Одновременно происходит перетекание нагретого рабочего газа из камеры 11 в камеру 12 через канал 10 в поршне 3, в которой газ также подвергается сжатию и дальнейшему нагреву движущимся поршнем 3. В конце рабочего хода поршня 3 в рабочей камере 12 реализуются требуемые для проведения термомеханической обработки изделия 14 давление и температура рабочего газа. Далее поршень 3 высоким давлением в камере 12 отбрасывается назад, происходит резкий спад давления в камере 12 и падение температуры газа в ней, что ведет к охлаждению обрабатываемого изделия.

Дальнейшее движение поршней будет несколько различаться в зависимости от соотношения их масс, начального давления рабочего газа в трубе, энергии первичного источника и площади поперечного сечения перепускного канала.

Если во время обратного хода поршня 3 поршень 2 еще продолжает двигаться по направлению к днищу 5, то объем камеры 11 быстро уменьшается, находящийся там газ сжимается и начинает перетекать в камеру 12, поршень 3 при этом тормозится и снова начинает ускоренно двигаться к днищу 5, сжимая газ в камере 12 до тех пор, пока опять не будет отброшен назад. При повышении давления в камере 11 тормозится и поршень 2. При втором обратном ходе поршня 3 поршень 2 полностью затормаживается, после чего давлением в камере 11 отбрасывается в сторону днища 4. Одновременно с этим открывается дренажный клапан 9 и газ, находящийся между поршнем 2 и днищем 4, стравливается в атмосферу. Сопротивление обратному ходу поршня 2 падает, он доходит до исходного положения и снова фиксируется в нем фиксатором 15. При обратном ходе поршня 2 давление в камере 11 падает, что способствует движению поршня 3 в направлении поршня 2 до достижения исходного положения, где он снова фиксируется фиксатором 16. В описанном способе обрабатываемое изделие подвергается воздействию двух последовательных импульсов давления и температуры.

Если же соотношение параметров устройства таково, что во время первого обратного поршня 3 поршень 2 уже двигается, обратно к днищу 4, то обрабатываемое изделие подвергается воздействию только одного импульса температуры и давления, после чего фиксация поршней в исходном положении происходит на обратном ходе аналогично тому, как описано выше.

После фиксации поршней в исходном положении изделие 14 извлекают из узла крепления 13 и устанавливают в него новое. Дренажный клапан 9 закрывается, после чего устройство готово для проведения следующего рабочего цикла обработки.

На фиг. 2 приведена другая схема устройства для осуществления предложенного способа. Его отличие от первого варианта, приведенного на фиг. 1, состоит в том, что второй поршень 3 выполнен сплошным, а перепускной канал 10 образован во внутренней стенке трубы 1 в виде пазов, направленных вдоль оси трубы, и расположен перед поршнем 3. Кроме того (в связи с разобщенностью камер 11 и 12 в исходном положении) камера 11 снабжена своим клапаном 8 для наполнения рабочим газом.

Устройство работает аналогично описанному выше порядку. При этом после прохождения поршнем 3 начала перепускного канала 10 его сечение начинает увеличиваться от нуля до максимума и через него происходит перепуск газа из камеры 11 в камеру 12. После прохода поршнем 3 координаты конца перепускного канала 1 перепускное сечение полностью перекрывается телом поршня 3 и весь перетекший газ оказывается запертым в камере 2, где сжимается до требуемых параметров. Далее происходит отброс поршней и рабочий цикл проходит аналогично вышеприведенному.

В связи с нестационарностью ряда определяющих параметров устройства в процессе рабочего цикла не представляется возможным привести точную аналитическую зависимость между исходными параметрами устройства и достигаемыми параметрами воздействия на обрабатываемое изделие. Поэтому для определения значений конструктивных и исходных параметров устройства для обработки конкретных изделий разработана подробная математическая модель устройства с произвольным количеством поршней и программа численного решения системы уравнений этой модели на ЦЭВМ. Программа позволяет рассчитать оптимальные значения всех исходных параметров по заданным параметрам воздействия на изделие.

Авторам неизвестны отечественные и зарубежные промышленные образцы устройств аналогичного назначения, поэтому за базовый объект принят прототип и сравнение по положительному эффекту произведено по отношению к нему.

Были проведены испытания установки, реализующей предложенный способ. Установка имела следующие параметры и обеспечивала следующие характеристики:

длина рабочей части трубы

от основного поршня до второго днища, м 1,9

внутренний диаметр трубы, м 0,09

расстояние от второго поршня до второго днища, м 0,54 масса основного поршня, кг 3 масса второго поршня, кг 1

диаметр отверстия пере-

пускного канала во втором поршне, м 1,810^-2

начальное давление аргона в трубе, Па 10⁵

энергия, запасаемая в камере

источника первичной энергии, Дж 20010³

время процесса термо-

механической

обработки по уровню

0,8 от максимальной температуры рабочего газа, с 2 10^-3

максимальная температура рабочего газа, К 10⁴

максимальное давление рабочего газа, Па 10⁸

Испытаниям на установке подвергались концевые фрезы из стали Р6М5.

Проведенные испытания показали, что:

1) предложенный способ позволяет провести термомеханическую обработку металлических изделий за время порядка 2 10^-3 с. При этом, например, для обработки поверхности изделия в виде куба со стороной 5 10^-2 м известным способом необходимо затратить 3 с (не считая затрат времени на поворот изделия при обработке очередной плоскости), что почти в 1000 раз больше, чем в предложенном способе;

2) предложенный способ позволяет обработать режущие кромки инструментов сложной формы из быстрорежущей стали, что в известном способе сопряжено со значительными трудностями, то есть предложенный способ расширяет технологические возможности известного способа;

3) в результате обработки концевых фрез по предложенному способу их износостойкость возросла в 2-2,5 раза по сравнению с необработанными, что находится на уровне, достигаемом известным способом импульсного термомеханического упрочнения. (56) Авторское свидетельство СССР N 1135779, кл. С 21 D 8/00, 1975.

Бабей Ю. И. Физические основы импульсного упрочнения стали и чугуна. Киев, Наукова думка, 1988, с. 22-25.