Устройство для повышения прочности детали с покрытием

Полезная модель относится к оборудованию для повышения прочности детали с покрытием с применением обработки поверхностно-пластическим деформированием и ультразвуковой обработки.
В качестве аналога известен патент №2529335 ролик обкатной комбинированный, авторы: Блюменштейн В.Ю., Кречетов А.А., Махалов М.С., Останин О.А., имеющий профиль рабочей поверхности с радиусом постоянной величины, отличающийся тем, что ролик представляет собой комбинацию деформирующего элемента с радиусом постоянной величины, равным 1…10 мм, и цилиндрической части, расположенной со смещением в радиальном направлении относительно вершины деформирующего элемента на величину Δ=0,01…0,5 мм.
Недостатком данного приспособления, применительно к детали с покрытием, является недостаточное энергетическое воздействие на покрытие и на зону контакта покрытия с подложкой для осуществления диффузии материалов, т.к. большая часть энергии затрачивается на пластическую деформацию покрытия, способствующую разогреву материалов, вследствие чего не изменяется адгезионная прочность сцепления покрытия с подложкой, при этом недостаточно снижается пористость покрытия и недостаточно повышаются физико-механические свойства детали с покрытием.
В качестве прототипа взят патент №2316419 устройство для упрочняющей обкатки роликами наружных поверхностей деталей, авторы: Буканов В.И., Борцов Ю.В., Борисов Г.А., Кобяков А.И., Мисковец П.Н., содержащее корпус, два двуплечих рычага с обкатными головками, упрочняющие ролики и механизм регулирования усилия обкатки, при этом одна из обкатных головок имеет два упрочняющих ролика и закреплена на двуплечем рычаге с возможностью поворота на оси, при этом ее центр поворота расположен диаметрально противоположно центру вращения упрочняющего ролика обкатной головки, установленной на другом двуплечем рычаге.
Недостатком данного приспособления применительно к детали с покрытием является недостаточное энергетическое воздействие на покрытие и на зону контакта покрытия с подложкой для осуществления диффузии материалов, т.к. большая часть энергии затрачивается на пластическую деформацию покрытия, способствующую разогреву материалов, вследствие чего не изменяется адгезионная прочность сцепления покрытия с подложкой, при этом недостаточно снижается пористость покрытия и недостаточно повышаются физико-механические свойства детали с покрытием.
Задачей полезной модели является разработка устройства для повышения прочности детали с покрытием, позволяющего обеспечить обработку детали с покрытием в одном технологическом цикле и повышение физико-механических свойств детали с покрытием.
Техническим результатом является достижение минимально необходимого межоперационного промежутка времени, позволяющего обеспечить повышение адгезионной прочности, а также уменьшение пористости покрытия.
Технический результат достигается тем, что устройство для обработки поверхностно-пластическим деформированием детали с покрытием содержит корпус, верхний и нижний рычаги с обкатными головками, упрочняющие ролики и механизм регулирования усилия обкатки, при этом нижняя обкатная головка имеет два упрочняющих ролика и закреплена на нижнем рычаге с возможностью поворота на оси, а ее центр поворота расположен диаметрально противоположно центру вращения упрочняющего ролика верхней обкатной головки, установленной на верхнем рычаге, дополнительно устройство содержит, установленный посредством кронштейнов под углом 30° к горизонтальной плоскости симметрии упрочняющего ролика верхнего рычага магнитострикционный ультразвуковой преобразователь, соединенный с волноводом с упрочняющим шариком, вертикальная плоскость симметрии которого смешена от центральной плоскости вращения упрочняющего ролика на 1 мм, при этом кронштейны магнитострикционного ультразвукового преобразователя и кронштейны верхнего рычага сообщены между собой через пружину сжатия и болт нагружения.
Для повышения прочности детали с покрытием проведение поверхностно-пластической деформации недостаточно, так как данная операция не влияет на адгезию, для повышения которой необходимо сообщить энергию достаточную для процесса диффузии на границе между элементами покрытия и подложки. При формировании многослойных композитных поверхностных слоев с увеличением толщины слоя основным показателем качества композиции является адгезионная прочность. Повышение адгезионной прочности достигают формированием переходных слоев. При нанесении на стальную основу многокомпонентных материалов в качестве переходного слоя могут использоваться металлы, имеющие неограниченную растворимость в материале-основе и других напыляемых материалах.
В качестве дополнительного источника энергии, сообщаемой покрытию, достаточной для возникновения диффузии на границе покрытие-подложка, возможно использование магнитострикционного ультразвукового преобразователя, соединенного с волноводом с упрочняющим шариком. При этом отдельное использование магнитострикционного ультразвукового преобразователя также не сообщает достаточно энергии для возникновения массопереноса на границе покрытия с подложкой. Последовательное использование элемента для поверхностно-пластического деформирования (ролика) и магнитострикционного ультразвукового преобразователя с временным промежутком, необходимым для снятия этих элементов также не оказывает влияния на адгезионную прочность, так как за это время происходит релаксация деформированного покрытия, на которую затрачивается часть энергии сообщаемой покрытию и как следствие в последующем сообщаемая энергия ультразвуковым устройством оказывается недостаточной для диффузии. Для решения этой задачи необходимо минимизировать временной промежуток между операциями поверхностно-пластического деформирования и ультразвуковой обработки, что возможно конструктивно. Размещением упрочняющего элемента ультразвукового упрочнения под углом 30° к горизонтальной плоскости симметрии ролика верхнего рычага и со смещенной вертикальной плоскостью симметрии элемента ультразвукового упрочнения (магнитострикционного ультразвукового преобразователя) от центральной плоскости вращения упрочняющего ролика на 1 мм позволяет уменьшить временной промежуток между операциями поверхностно-пластического деформирования и ультразвуковой обработки, тем самым операция ультразвуковой обработки начинается до начала процесса релаксации деформированного покрытия и как следствие энергии, сообщаемое покрытию ультразвуковым элементом, суммируется с энергией сообщенной устройством поверхностно-пластического деформирования и становится достаточной для возникновения и процесса диффузии на границе покрытие-подложка. При этом уменьшение или увеличение указанного размера расстояния конструктивных элементов не позволяет достичь технический результат, так как увеличение расстояния приведет к увеличению временного промежутка между операцией поверхностно-пластического деформирования и ультразвуковой обработкой.
Достижение минимального необходимого межоперационного промежутка времени, позволяющего обеспечить повышение адгезионной прочности, уменьшение пористости покрытия, достигается за счет предлагаемого конструктивного исполнения устройства.
На фиг. 1 и на фиг. 2 изображено устройство для повышения прочности детали с покрытием, которое состоит из корпуса 1, верхнего рычага 2 с верхней обкатной головкой 4, нижнего рычага 3 с закрепленной на ней нижней обкатной головкой 5, выполненной с возможностью поворота на оси 8, и имеющей два упрочняющих ролика 6. При этом центр ее поворота расположен диаметрально противоположно центру вращения упрочняющего ролика 6 верхней обкатной головки 4, установленной на верхнем рычаге 2, на котором дополнительно установлен магнитострикционный ультразвуковой преобразователь 9, соединенный с волноводом 10 с упрочняющим шариком 11, вертикальная плоскость симметрии которого смешена от центральной плоскости вращения упрочняющего ролика 6 на 1 мм. Посредством кронштейнов магнитострикционного преобразователя 9 и кронштейнов верхнего рычага 2, связанных между собой через пружину сжатия 12 и болт нагружения 13, которым задается усилие прижима упрочняющего шарика 11 к детали с покрытием 14, при этом элемент ультразвукового упрочнения 9 расположен под углом 30° к горизонтальной плоскости симметрии упрочняющего ролика 6 верхнего рычага 2.
Устройство для повышения прочности детали с покрытием работает следующим образом: деталь с покрытием 14 устанавливают и зажимают в патроне токарного станка, установку для повышения прочности детали с покрытием со снятым механизмом регулирования усилия обкатки устанавливают и крепят в суппорте токарного станка державкой 15, которая соединена с корпусом 1 при помощи оси 7, перемещением суппорта токарного станка подводят верхнюю обкатную головку 4 и нижнюю обкатную головку 5 к обрабатываемой детали с покрытием 14 и устанавливают так, чтобы ось, проходящая через центр оси вращения упрочняющего ролика 6 верхней обкатной головки 4, и центр оси 8 поворота нижней обкатной головки 5, совпали с центром обрабатываемой детали 14. После чего устанавливают механизм регулирования усилия обкатки на нижний рычаг 3 путем размещения стаканов с винтовой канавкой 16, которые фиксируют гайками 17, затем в стаканы с винтовой канавкой 16 вкручивают пружины 18, в верхней части которых вкручены стаканы с винтовой канавкой 16, в которые устанавливают стержни с резьбой 19, положение которых фиксируют контргайками 20, на стержни устанавливают втулки 21, впрессованные в пластину 22, между пластиной 22 и верхним рычагом 2 устанавливают динамометр 23, сбрасывают показания динамометра при помощи винта сброса 25, после чего на стержни с резьбой 19 вкручивают регулировочные винты 24 и задают необходимую нагрузку, продолжая вращать регулировочные винты 24, и, сверяя показания по динамометру 23, затем устанавливают на верхний рычаг 2 под углом 30° по средством кронштейнов к горизонтальной плоскости симметрии упрочняющего ролика верхнего рычага 2, магнитострикционный ультразвуковой преобразователь 9, в который устанавливают волновод 10 с упрочняющим шариком 11, так чтобы вертикальная плоскость симметрии волновода 10 была смешена от центральной плоскости вращения упрочняющего ролика 6 верхней обкатной головки 4 на 1 мм, задают нагрузку, вкручивая болт нагружения 13 в кронштейн верхнего рычага 2, сжимая пружину сжатия 12 и прижимая упрочняющий шарик 11 к детали с покрытием 14, после чего включают токарный станок, который вращает обрабатываемую деталь с покрытием 14, и, который перемещает суппорт с установкой для повышения прочности детали с покрытием в продольном направлении, и включают магнитострикционный ультразвуковой преобразователь 9, и проводят обработку детали с покрытием 14.