ВЫГЛАЖИВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к конструкции инструмента для наноструктурирующей обработки металла интенсивным поверхностным пластическим деформированием.
Наноструктурирование поверхностного слоя детали возможно при обеспечении условий для накопления пластических деформаций сдвига за счет увеличения фрикционно-силового нагружения поверхностного слоя и числа проходов обрабатывающего инструмента.
Наноструктурирующая обработка поверхностного слоя с высоким фрикционно-силовым и скоростным нагружением сопровождается существенным увеличением температуры в очаге деформации. При достижении предельных значений температуры увеличиваются параметры шероховатости Ra и возникают предпосылки повреждения обрабатываемой поверхности, существенно возрастает износ инструмента.
Для обеспечения заданных параметров качества обрабатываемой поверхности, уменьшения изнашивания инструмента и увеличения производительности процесса применяют смазочно-охлаждающее технологическое средство (СОТС). В зависимости от условий технологического процесса, свойств материала инструмента и заготовок подачу СОТС в зону обработки осуществляют несколькими способами: свободно падающей струей, под давлением через сопловые насадки, в распыленном состоянии (в виде струи воздушно-жидкостной смеси) и т.д. Применение СОТС требует установки дополнительного оборудования.
Известны конструкции металлорежущих инструментов, содержащих каналы для подачи технологической жидкости: режущий инструмент, выходная часть канала которого выполнена капиллярной (a.c. №1787743); резец, содержащий державку с отверстием для подвода технологической жидкости в радиальные полости между кольцевыми пластинами (патент RU №2014169).
Известен давильный инструмент, содержащий смонтированный на оси с возможностью свободного вращения ролик с узлом подачи СОТС в зону обработки. Ролик выполнен полым, на наружной поверхности расположены отверстия, оси которых перпендикулярны продольной оси ролика. Ролик устанавливают на неподвижной оси, выполненной с центральным продольным и поперечными отверстиями для подачи СОТС под давлением в полость ролика (патент RU №2409443).
Применение СОТС обеспечивает уменьшение износа инструмента и улучшение параметра Ra поверхности за счет снижения коэффициента трения и, соответственно, уменьшения интенсивности накопления деформаций сдвига и накопления пластических деформаций сдвига.
Наиболее близким является выглаживатель, состоящий из корпуса, индентора, набора тарельчатых пружин, гайки, резинового уплотнения, установленного на гайке, надетой на индентор резиновой втулки, установленной в корпусе, в котором налита низкокипящая жидкость (патент на полезную модель №62554). Охлаждения индентора низкокипящей жидкостью, налитой в корпус, обеспечивает возможность работы инструмента с более высокими скоростями выглаживания.
Недостатком является повышенный износ и выкрашивание рабочей части инструмента при увеличенной фрикционно-силовой и скоростной нагрузке из-за повышения температуры рабочей части индентора, значение которой определяется условиями конвективного теплообмена и температурой кипения охлаждающей жидкости.
Для обеспечения накопления интенсивных сдвиговых деформаций при наноструктурирующем выглаживании за счет сохранения значения коэффициента трения для данных материалов (материал обрабатываемой детали и материал рабочей части индентора) и существенного снижения изнашивания рабочей части инструмента путем интенсивного охлаждения внутренней полости инструмента турбулентным потоком жидкого хладагента, предлагается выглаживающий инструмент для наноструктурирования поверхностного слоя деталей, содержащий корпус с полостью, индентор с полостью, резиновую втулку, надетую на индентор, пружину и резиновое уплотнение, при этом он снабжен трубкой для подачи жидкого хладагента в полости корпуса и индентора, трубкой для отвода нагретого жидкого хладагента из инструмента, втулкой, ввинченной в корпус, и нажимной вилкой, регулирующей сжатие пружины, при этом индентор с резиновой втулкой и пружина установлены во втулку, ввинченную в корпус, а рабочая часть индентора выполнена из материала с теплопроводностью более 400 Вт/М*°K.
На фиг.1 изображен выглаживающий инструмент для наноструктурирования поверхностного слоя деталей. Выглаживающий инструмент для наноструктурирования поверхностного слоя деталей содержит корпус 1 с полостью, в который ввинчена втулка 2 с установленными в ней индентором 3 с полостью и рабочей частью 4, резиновой втулкой 5, надетой на индентор, пружиной 6. В корпусе 1 установлена трубка 7 для подачи в нижнюю часть полости индентора 3 под давлением жидкого хладагента и трубка 8 для отвода нагретого жидкого хладагента из инструмента, резиновые уплотнения 9, 10 и нажимная вилка 11.
В процессе наноструктурирующей обработки поверхности инструментом с индентором из материала с высокой теплопроводностью более 400 Вт/М*°K обеспечивающим коэффициент трения f=0,3…0,35, например поликристаллического кубического нитрида бора, (Твердость и прочность высокочистых поликристаллических материалов кубического нитрида бора. Петруша И.А., Смирнова Т.И., Осипов А.С., Стратийчук Д.А., Шишонок Н.А.), охлаждение индентора обеспечивает снижение предельного значения температуры рабочей части индентора до уровня Q≤120°C.
Предлагаемая конструкция выглаживающего инструмента для наноструктурирования поверхностного слоя деталей обеспечивает интенсификацию конвективного теплообмена за счет формирования турбулентного потока жидкого хладагента в полости инструмента.
a
Работает выглаживающий инструмент для наноструктурирования поверхностного слоя деталей следующим образом. Нажимной вилкой 11 устанавливают необходимое сжатие пружины в соответствии с заданной силой выглаживания Р=340 Н. Инструмент закрепляют в токарно-фрезерном центре, подводят к заготовке 12 и сообщают инструменту и заготовке 12 движения в соответствии с заданными параметрами режимов выглаживания. Заготовку из цементованной стали 20Х, закаленной до HRC 59 обрабатывали на токарно-фрезерном центре MULTUS-300BM точением, затем проводили поверхностное пластическое деформирование. Скорость выглаживания Vвыгл.=20 м/мин. Подача S=0,04 мм/об. Величина параметров процесса задавалась программой. По трубке 7 под давлением 1,5 МПа подавали жидкий хладагент, который заполнял полость индентора 3, полость корпуса 1, образуя турбулентный поток и выходил через трубку 8, охлаждая рабочую часть 4 индентора, индентор 3. В качестве жидкого хладагента использовано СОТС Rhenus. При рабочем движении инструмента происходит интенсивное охлаждение рабочей части инструмента. Резиновая втулка 5 демпфирует колебания индентора. Выглаживание производили инструментом, у которого рабочая часть индентора изготовлена из кубического нитрида бора (коэффициент трения которого по цементованной стали 20X при трении без смазки равен 0,34), имеющим цилиндрическую форму заточки R=2 мм, длина образующей 3 мм. Количество проходов - 3. В результате сформирована поверхность с размером нанокристаллов менее 80 нм и шероховатостью поверхности - R=90-110 нм. Путевая стойкость инструмента по критерию шероховатости обработанной поверхности составляет более 9,5 км.
Применение предлагаемой конструкции выглаживающего инструмента с охлаждением индентора позволит увеличить срок службы инструмента и скорость наноструктурирующей обработки в 2-3 раза.