Устройство для наплавки с упрочнением волной деформации
APPARATUS FOR SURFACING WITH HARDENING BY STRAIN WAVE

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к упрочняющей обработке наплавленного металла на поверхности заготовки, применяемой для изготовления и восстановления деталей и инструментов наплавкой.
Наплавка металлического материала - это эффективный способ получения на поверхности изделий слоя с необходимыми свойствами, а также получения первоначальных размеров изношенных или поврежденных деталей.
Известно устройство наплавки плавящимся электродом в среде защитных газов, в котором дуга возникает между основным металлом и электродом. При наплавке осуществляется автоматическая подача электрода [Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. - М.: Машиностроение, 1985, с. 49-51].
Недостатком такого устройства является создание остаточных напряжений, как в основном, так и в наплавленном металле, вызывающих образование трещин, а также недостаточная твердость наплавленного слоя, не способная обеспечивать требуемое повышение ресурса наплавленных поверхностей деталей.
Известно устройство в виде пневматического молота с деформирующим инструментом, предназначенное для упрочнения пластическим деформированием наплавленной быстрорежущей стали после дуговой наплавки, во время охлаждения наплавленного металла (в температурном интервале от (Мн+80)°C до 60°C, где Мн - температура начала мартенситного превращения наплавленной быстрорежущей стали) [Патент РФ № 2483120. Способ упрочнения наплавленной быстрорежущей стали. Бюл. № 15, 2013]. Устройство применяется для повышения твердости наплавленного слоя и эксплуатационной стойкости наплавленного инструмента.
Недостатком устройства является то, что в наплавленном слое формируется высокая твердость без плавного перехода к основному металлу, что может привести к его отслоению.
Создание плавного перехода от наплавленной поверхности при ее упрочнении поверхностным пластическим деформированием (ППД) может быть обеспечено при формировании гетерогенно упрочненной структуры, при которой в поверхностном слое чередуются твердые и пластичные участки, позволяя значительно повысить эксплуатационные характеристики наплавленного слоя и всей детали.
Известно устройство - генератор импульсов для статико-импульсной обработки ППД металлических материалов, с помощью которого происходит формирование упрочненной структуры материала под действием ударных волн деформации, в результате чего на упрочняемой поверхности образуется совокупность пластических отпечатков с определенным размером, перекрытием и кратностью приложения [Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. Библиотека технолога. М.: Машиностроение, 2004. 288 с.; Патент № 2098259 РФ, МКИ В24В 39/00. Способ статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием / А.Г. Лазуткин, А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев. Бюлл. № 34, 1997]. При использовании такого устройства может быть получен упрочненный поверхностный слой, глубиной от 0,1-0,3 мм до 8-10 мм и твердостью 35-45 HRC, может быть получена как равномерно, так и гетерогенно упрочненная структура. Устройство успешно зарекомендовало себя для упрочнения деталей машин. Для упрочнения наплавленного металла не применялось. Деформирующим инструментом такого устройства является стержневой ролик цилиндрической формы с определенным диаметром и длиной. Применение такого инструмента позволяет создавать гетерогенно упрочненную структуру только в направлении подачи этого инструмента, что ограничивает возможности по созданию необходимого чередования твердых и пластичных участков, необходимых для максимального повышения эксплуатационных свойств наплавленного слоя.
Целью предложенного изобретения является повышение качества наплавленного металлического материала, способствующее увеличению долговечности изделий.
Для достижения поставленной цели предложено устройство - генератор импульсов для упрочнения статико-импульсной обработкой ударными волнами деформации, - которое формирует гетерогенно упрочненную структуру, чередующую твердые и пластичные участки во всех направлениях, за счет применения смонтированного на волноводе деформирующего инструмента в форме фигурного стержневого ролика, состоящего из криволинейных кольцевых участков (в этом случае ось следов деформации на упрочняемой поверхности от инструмента в форме фигурного стержневого ролика будут направлены строго вдоль направления подачи генератора импульсов) или участков в виде винтовой поверхности (в этом случае следы от деформации на упрочняемой поверхности от инструмента в форме фигурного стержневого ролика будут постепенно смещаться в сторону на шаг винта от направления подачи генератора импульсов с каждым оборотом инструмента в форме фигурного стержневого ролика), участков с одинаковыми или различными радиусами кривизны, причем профиль каждого участка может быть выполнен тороидальным (самопересекающийся тор) или радиусным.
На фиг. 1 изображена схема устройства для наплавки с упрочнением волной деформации:
1 - боек;
2 - волновод;
3 - корпус генератора импульсов;
4 - гайка крепления инструмента в форме фигурного стержневого ролика;
5 - инструмент в форме фигурного стержневого ролика;
6 - поверхность, на которую наплавляется металл;
7 - наплавленный металл после упрочнения статико-импульсной обработкой ударными волнами деформации;
8 - наплавленный металл;
9 - узел для наплавки;
10 - наплавляемый металл;
11 - один из тороидальных участков инструмента в форме фигурного стержневого ролика.
На фиг. 1 также приведены условные обозначения:
st
P - предварительное статическое поджатие волновода;
u
P - энергия ударных волн деформации;
ƒ - частота ударов;
S - направление подачи генератора импульсов и узла для наплавки;
R - радиус стержневого ролика в сечении, перпендикулярном оси его вращения;
1
2
3
n
R, R, R, R - радиусы кривизны участков фигурного стержневого ролика в плане;
n - количество участков фигурного стержневого ролика в плане.
Отметим, что на фиг. 1, для примера, изображен инструмент в форме фигурного стержневого ролика 5, состоящего из криволинейных кольцевых участков.
Используемый для упрочнения генератор импульсов обеспечивает энергию и частоту ударов соответственно 50-200 Дж и 7-40 Гц, а его основными элементами являются боек 1 и волновод 2. При упрочнении боек 1 ударяет по волноводу 2, статически поджатому к наплавленному металлу 8, в результате в ударной системе боек-волновод генерируются плоские акустические волны, которые характеризуются законом изменения сил (амплитудой волны деформации) во времени, максимальным значением сил, временем действия сил (длительности волны деформации) и энергией волны деформации. Эти характеристики зависят от геометрии соударяющихся бойка 1 и волновода 2, свойств их материалов и скорости соударения. Волна деформации состоит из последовательности импульсов, длительность каждого из которых равна периоду волны. Форма ударного импульса (изменение силы по времени), поступающего в очаг деформации, т.е. область контакта инструмента в форме фигурного стержневого ролика 5 с наплавленным металлом 8, будет определять эффективность динамического нагружения. Предварительное статическое поджатие волновода 2 способствует наиболее полному использованию импульсной нагрузки для пластического деформирования наплавленного металла 8. При упрочнении форма ударных импульсов максимально адаптируется к свойствам материала и условиям нагружения, что увеличивает КПД процесса упрочнения, расширяет технологические возможности обработки наплавленного металла 8, позволяя создавать глубокий упрочненный слой 7. Технология статико-импульсной обработки ударными волнами деформации позволяет достаточно точно регулировать равномерность упрочнения, создавая как равномерно, так и гетерогенно упрочненную структуру.
1
2
n
Устройство (фиг. 1) имеет боек 1 и волновод 2, которые имеют возможность поступательного перемещения внутри корпуса генератора импульсов 3. На конце волновода 2 с помощью гайки крепления инструмента в форме фигурного стержневого ролика 4 монтируется инструмент в форме фигурного стержневого ролика 5 с профильным (в поперечном сечении, см. главный вид на фиг. 1) радиусом кривизны R, состоящий из кольцевых участков, причем профиль каждого кольцевого участка имеет разные или одинаковые радиусы кривизны в плане (вид А-А на фиг. 1) R, R, …, R. Участком инструмента в форме фигурного стержневого ролика с меньшим радиусом кривизны в плане обеспечивается высокая твердость и небольшая глубина упрочненного поверхностного слоя, участком с большим радиусом кривизны в плане - меньшая твердость и большая глубина упрочненного поверхностного слоя. Это позволяет за один проход создавать структуру наплавленного материала с плавно меняющейся глубиной и степенью упрочнения.
i
Для расширения возможностей получения различных сочетаний твердых и пластичных участков гетерогенно упрочненной структуры могут применяться кольцевые участки с профилем тороидальной формы различного радиуса R, где i=1, …, n в плане, а одинаковые радиусы кривизны участков инструмента в форме фигурного стержневого ролика в плане могут являться участками винтовой поверхности.
На фиг. 2 - фиг. 5 представлены для наглядности некоторые примеры вариантов исполнения инструмента в форме фигурного стержневого ролика, с особенностями конструкции, упомянутыми ранее. На каждой иллюстрации сверху расположено изображение - аналог вида А-А с фиг. 1, а ниже вид Б-Б, определенный на каждой иллюстрации соответствующими обозначениями. Кроме того, на фиг. 2 - фиг. 5 полутонами на обоих видах качественно показаны области, где более интенсивный серый окрас соответствует большей пластической деформации упрочняемой области наплавленного металла. На верхних изображениях фиг. 2 - фиг. 5 области полутонов иллюстрируют сечение упрочненной области под соответствующими участками инструмента в форме фигурного стержневого ролика, а на видах Б-Б следы пластической деформации этого инструмента на упрочняемой поверхности наплавленного металла в зависимости от особенностей конструкции инструмента в форме фигурного стержневого ролика после процесса упрочнения. На фиг. 2 - фиг. 5 с помощью величины интенсивности окраса серого цвета проиллюстрировано, в том числе, ранее приведенное свойство: участком инструмента в форме фигурного стержневого ролика с меньшим радиусом кривизны обеспечивается сравнительно более высокая твердость и небольшая глубина упрочненного поверхностного слоя, участком с большим радиусом кривизны в плане - меньшая твердость и большая глубина упрочненного поверхностного слоя.
На фиг. 2 изображен инструмент в форме фигурного стержневого ролика 5, состоящего из тороидальных участков с различными радиусами кривизны. Применение такого инструмента способствует увеличению гетерогенности упрочнения.
На фиг. 3 изображен инструмент в форме фигурного стержневого ролика 5, состоящего из участков с одинаковыми радиусами кривизны.
На фиг. 4 изображен инструмент в форме фигурного стержневого ролика 5, состоящего из участков в виде винтовой поверхности (в правом и левом направлении), профили деформирующих поверхностей которых состоят из дуг одинакового радиуса R, что позволяет создавать следы от деформации на упрочняемой поверхности, линии которых расположены под углом к направлению подачи генератора импульсов.
На фиг. 5 изображен инструмент в форме фигурного стержневого ролика 5, состоящего из участка в виде винтовой поверхности (в правом направлении), профили деформирующих поверхностей которого состоят из дуг одинакового радиуса R, что позволяет создавать следы от деформации на упрочняемой поверхности в виде линий, расположенных под углом к направлению подачи генератора импульсов.
Устройство отличается широкими возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев обрабатываемой поверхности. Предлагаемое устройство расширяет технологические возможности статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием за счет управления твердостью и глубиной упрочненного слоя инструментом специальной формы.
В результате сравнительных эксплуатационных испытаний образцов с наплавленным металлом после упрочнения генератором импульсов с деформирующим инструментом в виде стержневого ролика цилиндрической формы и после упрочнения генератором импульсов с деформирующим инструментом в виде фигурного стержневого ролика установлено, что долговечность изделия в последнем случае повышается на 30-50%.
Источники информации, принятые во внимание
1. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. - М.: Машиностроение, 1985, с. 49-51.
2. Патент РФ № 2483120. Способ упрочнения наплавленной быстрорежущей стали. Бюл. № 15, 2013.
3. Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. Библиотека технолога. М.: Машиностроение, 2004. 288 с.
4. Патент РФ № 2090342. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. 1997. Бюл. № 34.