ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ НА ДЕТАЛЯХ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ С НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ

Полезная модель относится к области технологии машиностроения, а именно к инструментам, используемым при изготовлении деталей трибосопряжений из закаленных сталей, с поверхностями, подверженными интенсивному износу, эксплуатационные свойства которых повышают за счет формирования наноструктурированного поверхностного слоя детали и предназначена для использования преимущественно на станках с ЧПУ и токарно-фрезерных центрах.
Широко применяемые устройства для финишной обработки (шлифовальные, хонинговальные), обеспечивая заданную точность и микрогеометрию, незначительно изменяют физико-механические свойства поверхностей деталей.
Известно применение прерывистых фрикционных дисков для поверхностного упрочнения металлических сплавов знакопеременным высокоскоростным трением (Евдокимов В.Д., Клименко Л.Д., Евдокимова А.Н. Технология упрочнения машиностроительных материалов: Учебное пособие-справочник. Одесса Николаев: Изд-во НГГУ им. Петра Могилы, 2005, 283 С. Рис.53).
Известен прерывистый инструмент для фрикционного поверхностного упрочнения, содержащий корпус, выполненный в виде закрепленных на ступице основного и дополнительного дисков из материала с низким коэффициентом теплопроводности и с рабочей поверхностью на их периферии с пазами на основном диске и с впадинами на дополнительном (патент RU №2241590)
Указанные устройства сложны по конструкции, имеют большие габариты, что исключает возможность их применения на токарно-фрезерных центрах.
Известен выглаживатель, состоящий из корпуса, индентора, набора тарельчатых пружин, резинового уплотнения, установленного на гайке, резиновой втулки, установленной в корпусе, в котором налита низкокипящая жидкость, которая охлаждает индентор, позволяет повысить скорость выглаживания, снизить трудоемкость процесса обработки. Резиновая втулка снижает автоколебания, возникающие при высокой скорости выглаживания (патент RU №62554).
Инструмент выглаживает поверхность скользящим индентором без значительного нагрева обрабатываемой поверхности в контактной зоне с достижением достаточно высоких параметров шероховатости поверхности и упрочнения поверхности, но не обеспечивает формирование нанокристаллов.
Конструкций инструментов, предназначенных для наноструктурирования поверхности, применяемых при обработке деталей на металлорежущих станках с ЧПУ за один установ, не обнаружено.
Для наноструктурирования поверхностного слоя деталей и уменьшения шероховатости, предлагается инструмент для формирования на деталях трибосопряжений поверхностей с нанокристаллической структурой, состоящий из державки, корпуса, индентора, наконечник которого выполнен из мелкодисперсного кубического нитрида бора, пружины, резинового уплотнения, установленного на гайке, резиновой втулки, установленной в корпусе, в котором налита низкокипящая жидкость.
Принципиальное улучшение физико-механических характеристик металла при современных методах интенсивной пластической деформации материала достигается за счет перевода структуры поверхностного слоя в нанокристаллическое состояние, обеспечивающее эффективное блокирование движения дислокации границами нанозерен. Для эффективного наноструктурирования и упрочнения металлических материалов должны быть обеспечены условия для накопления интенсивной пластической деформации в поверхностном слое, что достигается увеличением сдвиговой компоненты деформации, нормальной нагрузки и числа проходов обрабатывающего инструмента.
Причинно-следственная связь - воздействие индентора инструмента, выполненного из мелкодисперсного кубического нитрида бора обеспечивает тангенциальный сдвиг, дробление и разворот кристаллов материала в поверхностном слое детали за счет высокого контактного давления и увеличения тангенциальной силы, при этом коэффициент трения в контакте с обрабатываемой поверхностью заготовки из цементированной стали 20Х равен 0,34. Экструдированные мезополосы, распространяющиеся в поверхностных слоях по схеме волн заселения, способствуют однородному развитию микродеформации на протяжении всего процесса нагружения, обеспечивают наноструктурирующее упрочнение поверхностного слоя с увеличением пластичности. Низкокипящая жидкость в корпусе значительно сокращает нагрев обрабатываемой поверхности в зоне контакта. Закрепление корпуса в державке позволяет устанавливать инструмент на станках с ЧПУ и токарно-фрезерных центрах.
На фиг.1 изображен инструмент для формирования высококачественных поверхностей с нанокристаллической структурой при многоцелевой обработке деталей трибосопряжений, на фиг.2 - сканирующая микроскопия поперечного шлифа поверхностного слоя детали до обработки, на фиг.3 - сканирующая микроскопия поперечного шлифа поверхностного слоя детали после обработки предлагаемым инструментом.
Инструмент состоит из державки 1, в которой закреплен корпус 2, индентора 3, наконечник 4 которого выполнен из материала с высоким коэффициентом трения, пружины 5, резинового уплотнения 6, установленного на гайке 7, резиновой втулки 8, установленной в корпусе 2, в котором налита низкокипящая жидкость 9. В корпус 2 инструмента устанавливается индентор 3 с наконечником 4 и надетой на индентор резиновой втулкой 8. В корпус 2 устанавливается пружина 5 и заливается низкокипящая жидкость 9. На гайку 7 надевается резиновое уплотнение 6.
Работает инструмент следующим образом.
Ввинчиванием гайки 7 в корпус 2 поджимают пружину 5 на требуемую силу выглаживания. После касания индентором 3 обрабатываемой детали, инструмент внедряется в деталь до тех пор, пока индентор 3 упирается в корпус 2. Как только индентор 3 перестает упираться в корпус 2, он начинает полностью воспринимать силу предварительно поджатой пружины 5. При рабочем движении инструмента происходит охлаждение индентора 2 низкокипящей жидкостью 9, а резиновая втулка 8 демпфирует колебания индентора. Обрабатывали поверхность детали из закаленной цементованной стали 20Х, после точения, индентором из мелкодисперсного нитрида бора, со сферическим наконечником, радиус которого 2 мм, скорость 10 м/мин, подача 0,04 мм/об, сила выглаживания 200 Н за 2 прохода. Сформирована поверхность с нанокристаллической структурой 20-40 нм (фиг.3).
Для создания нанокристаллических структур необходимое количество проходов инструмента устанавливается в зависимости от исходной термической или химико-термической обработки материала заготовки и требуемого качества поверхности.
Применение инструмента позволяет сформировать поверхность с нанокристаллической структурой с размером зерен менее 100 нм.