СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОРЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТЯХ ДЕТАЛЕЙ ДВУХПЕРЕХОДНЫМ ВЫГЛАЖИВАНИЕМ
METHOD OF NANORELIEF FORMATION ON PART SURFACES BY TWO-PASS BY BURNISHING

Изобретение относится к области технологии машиностроения, а именно к финишной обработке деталей на металлорежущих станках, и может быть использовано для эффективного уменьшения шероховатости с достижением нанорельефа поверхности.
Широко применяемые методы финишной обработки (шлифование, хонингование, доводка) часто не обеспечивают требуемых параметров шероховатости поверхности, например, при обработке нержавеющих сталей и цветных сплавов.
Известен способ упрочнения поверхности, в котором сообщают заготовке вращательное движение, деформирующему устройству, расположенному под углом к заготовке, - движение подачи вдоль обрабатываемой заготовки. Упрочнение достигается в результате статического и ударного воздействий (патент RU №2367562 С1).
Недостатком способа является сложность применяемого устройства, низкие параметры шероховатости (Ra=0,2…0,8 мкм).
Для уменьшения шероховатости поверхностного слоя ответственных деталей широко применяется выглаживание как отделочно-упрочняющая операция.
Основными параметрами процесса выглаживания, влияющими на качество поверхности и производительность, являются: напряженное состояние в зоне контакта инструмента с обрабатывающей поверхностью, характеризующееся средним давлением на площади контакта и определяющееся механическими свойствами обрабатываемого материала, размером и формой рабочей части инструмента и глубиной его внедрения в обрабатываемую поверхность; кратность приложения нагрузки, определяющаяся размером рабочей части выглаживателя, глубиной его внедрения в обрабатываемую поверхность, подачей и числом проходов при выглаживании (В.М.Торбило. Алмазное выглаживание. - М.: Машиностроение. 1972. С.4-5).
Известен способ алмазного выглаживания, заключающийся в пластическом деформировании обрабатываемой поверхности скользящим по ней инструментом - выглаживателем с установленными нагрузкой и скоростью. При этом неровности поверхности, оставшиеся от предшествующей механической обработки, частично сглаживаются. (Л.Г.Одинцов. Финишная обработка деталей алмазным выглаживанием и вибровыглаживанием. - М.: Машиностроение, 1981 г., С.3.)
Алмазное выглаживание обладает существенными преимуществами: высокая производительность, простота инструмента, уменьшение в несколько раз шероховатости поверхности.
Недостатком способа является невозможность достижения параметров шероховатости Ra≤10 нм.
Например, при обработке деталей из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н9Т, предельно достигаемая шероховатость Ra=0,32 мкм достигается за счет существенного уменьшения производительности Р=130 Н, подача S=0,02 мм/об, скорость V=100-120 м/мин. (Технология обработки конструкционных материалов. Учебник для вузов. С.Д.Кугультинов, А.К.Ковальчук, И.И.Портнов. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2008. С.310-311).
Попытки уменьшить параметры шероховатости и увеличить производительность за счет увеличения радиуса выглаживания приводят к необходимости значительно увеличивать силу выглаживания, что приводит к деформации тонкостенных деталей и перенаклепу поверхности, особенно при малой скорости подачи.
Наиболее близким по совпадающим признакам является способ выглаживания, включающий обработку поверхностей вращения инструментом с цилиндрической рабочей поверхностью. Инструмент установлен под углом скрещивания к оси детали с возможностью перемещения строками по обрабатываемой детали. Изменение подачи инструмента позволяет повысить производительность. Введение возвратно-поворотного движения инструмента за счет изменения угла скрещивания инструмента с осью детали обеспечивает постоянную площадь пятна контакта детали с инструментом при выглаживании деталей с изменяющимися параметрами образующей поверхности детали. Угол скрещивания инструмента с осью детали уменьшают и постоянно поддерживают меньшим соответствующего угла скрещивания в предыдущем проходе. Обработку осуществляют по меньшей мере в два прохода (SU 1463454 А1).
Недостатком является сложность процесса выглаживания из-за необходимости постоянного изменения угла скрещивания и изменения подачи, применение способа не обеспечивает нанорельеф поверхности Ra≤10 нм.
Для обеспечения нанорельефа поверхности и повышения производительности предлагается способ формирования нанорельефа на поверхностях деталей двухпереходным выглаживанием, заключающийся в том, что на первом переходе осуществляют образование на поверхности заготовки шероховатости Ra=(0,4…0,1) мкм с помощью индентора с рабочей частью, имеющей полуцилиндрическую форму, ось которой располагают под углом φ=(5…30) градусов к оси заготовки, или сферическую форму, а на втором переходе обработку осуществляют до образования на поверхности Ra≤10 нм индентором с рабочей частью, имеющей полуцилиндрическую форму, ось которой располагают под углом φ=(70…85) градусов к оси заготовки.
Признаки, общие с прототипом: двухпереходное выглаживание; выглаживание производят инструментом, ось рабочей части которого устанавливают под углом к оси обрабатываемой детали.
В прототипе величина угла перекрещивания оси вращения детали и оси рабочей поверхности инструмента не является постоянной, а зависит от изменения диаметра детали, причем угол постоянно поддерживают меньшим соответствующего угла скрещивания на предыдущем проходе. Инструмент на каждом проходе перемещается строками по обрабатываемой поверхности возвратно-поворотным движением. Обработку осуществляют как минимум в два прохода. Изменением угла обеспечивается стабилизация пятна контакта детали и инструмента, что обеспечивает заданную глубину упрочнения и степень наклепа.
В предлагаемом способе устанавливается постоянная величина угла для каждого перехода, причем на втором переходе угол значительно больше, чем на первом.
Силу выглаживания и радиус индентора на первом, сглаживающем, переходе устанавливают исходя из условия уменьшения шероховатости поверхности. Значение угла φ выбирают исходя из твердости обрабатываемого материала. Угол φ=(5…15) градусов устанавливают при обработке деталей, выполненных из твердых материалов, а большее значение (15-30) градусов - для более мягких материалов и повышенных режимов обработки.
На втором переходе выглаживание осуществляют только инструментом с индентором, имеющим полуцилиндрическую форму рабочей поверхности. Угол φ=(70…85) градусов устанавливают из условия обеспечения приведенного радиуса кривизны контактирующих поверхностей (рабочей части индентора и обрабатываемой детали), равным Rкр>100 мм. Rкр=Rинд/cosφ, где Rинд - радиус рабочей поверхности индентора. Силу выглаживания и радиус индентора на втором переходе устанавливают из условия формирования нанорельефа поверхности детали (Ra≤10 нм).
Z
Исходя из известной формулы для определения высоты неровностей профиля R (по 10 точкам)
где
R - радиус индентора;
S - подача инструмента;
K - коэффициент, зависящий от упругих свойств материала заготовки.
Z
(В.Пшибыльский. Технология поверхностной пластической обработки. Москва. Металлургия, 1991 г., стр.220), можно сделать вывод, что параметры шероховатости R и Ra - среднее арифметическое отклонение профиля зависит прежде всего от радиуса индентора и подачи.
Таким образом, для достижения минимальной шероховатости необходимо уменьшать подачу S, что невозможно по двум причинам - уменьшается производительность и возникает «шелушение» поверхности (там же, стр. 224). Следовательно, только увеличение радиуса инструмента реально обеспечивает уменьшение шероховатости поверхности. Но увеличение радиуса при сглаживании шероховатости после точения Ra>0,03…0,8 мкм требует создания усилия выглаживания, которое вызывает недопустимую деформацию детали. Поэтому разработан способ, позволяющий формировать нанорельеф на поверхностях деталей за два перехода.
Обработку деталей осуществляют на многоцелевых металлорежущих станках.
На фиг.1 изображена схема обработки поверхностей деталей полирующим выглаживанием: 1 - рабочая поверхность индентора, 2 - обрабатываемая деталь, φ - угол между осью рабочей части индентора и осью обрабатываемой деталью, Rинд - радиус рабочей части индентора, Rкр - приведенный радиус кривизны индентора.
Пример осуществления способа
.
.
Металлическую заготовку из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н9Т обрабатывали на токарно-фрезерном центре MULTUS-B300. Шероховатость детали после чистового перехода токарной обработки составляла Ra=0,8 мкм. Индентор с полуцилиндрической рабочей поверхностью с радиусом Rинд=4 мм устанавливали таким образом, чтобы ось рабочей части располагалась под углом φ=15 градусов к оси обрабатываемой детали. Силу выглаживания на первом, сглаживающем, переходе устанавливали Р=150 Н. Подача составляла S=0,15 мм/об. Обработку поверхности осуществляли за 1 проход, что обеспечило получение параметров шероховатости Ra=0,1 мкм. На втором переходе применяли выглаживающий инструмент с индентором, имеющим полуцилиндрическую рабочую поверхность с радиусом Rинд=4 мм, ось которого устанавливали так, чтобы угол составлял φ=80 градусов относительно оси детали из условия обеспечения нанорельефа поверхности Ra≤10 нм за счет Rкр=135 мм. Силу выглаживания на втором переходе устанавливали из условия продавливания индентором шероховатостей обрабатываемой поверхности от первого перехода. Обработку поверхности осуществляли за 1 проход, в результате была получена шероховатость поверхности Ra=8 нм.
Предлагаемый способ существенно меняет характер обработки и производительность за счет увеличения подачи, относительного уменьшения усилия и обеспечения динамической стабилизации процесса выглаживания.
Применение предлагаемого способа позволяет повысить производительность обработки в 2-4 раза, обеспечить нанорельеф поверхности до значения параметра шероховатости Ra≤10 нм, повысить ресурс работы обработанных деталей.