способ упрочняющей обработки поверхностей деталей выглаживанием

Формула изобретения

Способ упрочняющей обработки выглаживанием заготовки с наноструктурированием ее поверхностного слоя, включающий движение выглаживателя с индентором по поверхности механически обработанной заготовки с установленными нагрузкой и скоростью, отличающийся тем, что используют индентор с цилиндрической формой заточки, выполненный из мелкодисперсного кубического нитрида бора, при этом осуществляют многократные проходы выглаживателя по заготовке с принудительным охлаждением рабочей зоны сухим воздухом или инертным газом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области технологии машиностроения, а именно к финишной обработке деталей на металлорежущих станках, и может быть использовано для эффективного упрочнения поверхностей деталей выглаживанием.

Широко применяемые методы финишной обработки (шлифование, хонингование, доводка), создавая с заданной точностью необходимую форму поверхностей деталей, часто не обеспечивают требуемого упрочнения поверхности.

Известны различные способы упрочняющей обработки поверхности.

Известен способ комбинированной чистовой обработки, при котором одновременно осуществляют прерывистую абразивную обработку и поверхностное пластическое деформирование для повышения качества обработки, производительности, длительности работы инструмента (патент RU № 2239537, МПК B24B 1/00).

Недостатком способа является сложность инструмента и недостаточное упрочнение поверхности.

Известен способ алмазного выглаживания с использованием устройства, корпус которого для повышения стойкости инструмента может принимать определенное положение, обеспечивая симметричное положение очага деформации относительно оси инструмента (SU, авторское свидетельство № 1235705 на изобретение «Устройство для алмазного выглаживания»).

Недостатком является сложность инструмента и необходимость настройки в зависимости от обрабатываемого материала, а также невозможность достижения максимального упрочнения поверхности детали.

Наиболее близким является алмазное выглаживание, заключающееся в движении индентора по поверхности заготовки с заданными силой выглаживания и скоростью. Алмазное выглаживание обладает существенными преимуществами: высокая производительность, простота инструмента, возможность осуществления процесса на токарно-фрезерных центрах, уменьшение в несколько раз шероховатости поверхности и улучшение физико-механических свойств поверхностного слоя (Финишная обработка деталей алмазным выглаживанием и вибровыглаживанием. Л.Г.Одинцов, М. Машиностроение, - 1981 г., стр.3). Пластическая деформация при алмазном выглаживании может вызывать упрочнение поверхностного слоя металла: увеличивается твердость, предел упругости и предел текучести, но уменьшается его пластичность. Упрочнение поверхностного слоя связано с изменением кристаллической структуры металла. При обработке деталей в зависимости от материала выбираются: сила выглаживания, величина радиуса инструмента, количество рабочих ходов, скорость выглаживания. Силу выглаживания, как правило, назначают не более 200-250 Н для деталей из высокопрочных материалов и не более 100-150 Н для материалов средней твердости. Скорость выглаживания мало влияет на величину шероховатости. При изменении скорости от 16 до 120 м/мин величина шероховатости практически не меняется. Рост скорости выглаживания от 120 до 200 м/мин приводит к небольшому увеличению шероховатости. Алмазное выглаживание обычно проводят на средних скоростях с применением СОТС (смазочно-охлаждающей технологической среды) для охлаждения зон контактной поверхности и инструмента. При выглаживании целесообразно назначать один рабочий ход (Финишная обработка деталей алмазным выглаживанием и вибровыглаживанием. Л.Г.Одинцов, М. Машиностроение, - 1981 г., стр.13, стр.14, стр.15, стр.17).

Алмазное выглаживание с указанными выше параметрами силы выглаживания и скорости с применением СОТС не позволяет получить максимальное упрочнение поверхности, т.к. низкий коэффициент трения алмаза с металлической поверхностью (к_тр 0,1) недостаточен для накопления интенсивных пластических сдвиговых деформаций.

Для значительного упрочнения поверхностей деталей и уменьшения шероховатости предлагается способ упрочняющей обработки поверхностей деталей выглаживанием с наноструктурированием поверхностного слоя, включающий движение выглаживателя с индентором по поверхности механически обработанной заготовки с установленными нагрузкой и скоростью. Используют индентор с цилиндрической формой заточки, выполненный из мелкодисперсного кубического нитрида бора, при этом совершают многократные проходы выглаживателя по поверхности заготовки с принудительным охлаждением рабочей зоны сухим воздухом или инертным газом.

Принципиальное улучшение физико-механических характеристик металла в предлагаемом способе достигается за счет многократной интенсивной пластической деформации сдвига материала поверхностного слоя и формирования мелкофрагментированной структуры. Совокупность существенных признаков за счет увеличения коэффициента трения (и, соответственно, сдвиговой компоненты деформации) обеспечивает эффективное упрочнение поверхностей деталей.

Увеличение коэффициента трения достигается принудительным охлаждением рабочей зоны сухим воздухом или инертным газом для обеспечения минимальной температуры в зоне контакта индентора с обрабатываемой поверхностью. Применение в качестве охлаждающего газа сухого воздуха или инертного газа (азот, аргон) исключает какие-либо условия смазывания, снижающие коэффициент трения при проведении выглаживания.

В предлагаемом способе сила выглаживания, скорость выглаживания и количество проходов, обеспечивающие интенсивную пластическую деформацию сдвига материала поверхностного слоя, установлены проведенными испытаниями и зависят от применяемого инструмента, оборудования, обрабатываемого материала, исходной термической или химико-термической обработки материала заготовки.

Максимальные значения указанных параметров выбирают по условию неразрушения поверхностного слоя.

Пример осуществления способа

Металлическую заготовку из цементованной стали 20Х, закаленной до HRC 59, обрабатывали на токарно-фрезерном центре MULTUS-300BM точением, затем проводили упрочнение поверхности выглаживателем с индентором, изготовленным из кубического нитрида бора (коэффициент трения которого по цементованной стали 20Х при трении без смазки равен 0,34), имеющим цилиндрическую форму заточки R=2 мм, длина образующей 3 мм. Скорость выглаживания Vвыгл=10 м/мин. Сила выглаживания Р=340 Н. Количество проходов - 5.

После упрочнения поверхности выглаживанием микротвердость составляет 11,4 ГПа, а шероховатость поверхности - R_a=90-110 нм.

Применение предлагаемого способа позволяет обрабатывать детали за один установ, обеспечивая значительное упрочнение поверхностного слоя, уменьшение шероховатости поверхности и улучшение эксплуатационных характеристик.