СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR SURFACE TREATMENT OF ITEMS FROM FERROMAGNETIC MATERIALS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к деформационному упрочнению деталей машиностроительного производства.
Известны способы поверхностной обработки изделий, при которых дополнительно к зоне деформации прикладывают магнитное поле в виде периодических импульсов постоянной величины и направления (патенты РФ №2009210, 2026991, 20098454, 20064510, 20099373).
Использование этого дополнительного фактора позволяет до некоторой степени улучшить характеристики формируемых обработкой в самом металле структур (за счет частичного превращения там карбидов в смесь зерен мартенсита и аустенита).
Однако присутствие небольших вкраплений, прошедших фазовое превращение зерен исходной структуры, в поверхностных слоях таких изделий не меняет коренным образом ситуацию относительно получаемых их физико-механических характеристик в целом.
Наиболее близким к предлагаемому является «Способ упрочнения стальных деталей и устройство для его осуществления» по а.с. 1668119, B24B 39/00 с приоритетом изобретения от 14 апреля 1989 г. (принимается за прототип).
Осуществление обработки в соответствии с таким способом производится с использованием одновременного воздействия сразу же двух технологических факторов - во-первых, при помощи деформации, выполняемой накатным инструментом, и, во-вторых, за счет перемагничивания обрабатываемых структур кристаллической решетки переменным магнитным полем.
Совместное применение указанных выше факторов обеспечивает получение качественно новых характеристик структур в подвергнутых их воздействию наружных слоях металла.
Т.е., благодаря использованию сразу же двух возникающих при обработке волновых процессов в тонком поверхностном упрочненном слое формируются и новые фазы - прослойки из смеси мелких зерен цементита и мартенсита.
Наличие факта появления этих структур и приводит к существенному улучшению получаемых физико-механических свойств у проходящих обработку изделий.
Применяемое для проведения обработки устройство (а.с. 1668119, B24B 39/00, от 14 апреля 1989 г.) представляет собой замкнутый цельный прямоугольный магнитопровод с расположенными на нем наружными электрическими обмотками-катушками. Обрабатываемое изделие, а также конец державки с накатным инструментом размещаются в зазоре, остающемся между телом такого магнитопровода и самими элементами конструкции.
Однако этому известному способу и применяемому для его осуществления устройству присущи следующие недостатки.
В силу наличия существенных воздушных зазоров между контуром используемого магнитопровода и поверхностью проходящих обработку изделий магнитное сопротивление в самой зоне обработки достигает существенных величин.
До собственно зоны обработки в этом случае доходит только незначительная часть генерируемого магнитопроводом потока (т.е. только поток так называемого «рассеивания»). Основная же часть вырабатываемого в устройстве магнитного потока практического полезного применения в случае осуществления известного технического решения так и не находит. При его использовании обрабатываемое изделие оказывается далеко за пределами формирующего магнитный поток контура и является чужеродным для него элементом со всеми вытекающими из этого последствиями.
Нужно отметить еще и то, что контроль за напряженностью используемого переменного магнитного поля, а также регулировка получаемых в процессе обработки ее значений, в известном техническом решении, как следует из его описания, осуществляется исходя из величин, замеряемых на самом магнитопроводе.
Это обстоятельство не позволяет обеспечивать оптимальные условия для протекания фазовой структурной перестройки в обрабатываемом поверхностном слое, так как в силу наличия действия целого ряда физических факторов необходимая величина напряженности магнитного поля, замеряемая непосредственно в зоне деформации, может отличаться в меньшую сторону от аналогичной, но создающейся в теле самого магнитопровода - на один, два и даже три порядка.
Т.е. наличие же достаточно высокого значения напряженности магнитного поля в самом магнитопроводе не гарантирует, что в самой зоне, где и проходят фазовые преобразования, она будет иметь необходимую для протекания процесса указанную выше величину.
Учитывая все изложенное выше, можно прийти к выводу, что для осуществления процесса фазовой перестройки поверхностных слоев металла с достаточно высокой эффективностью надо исходить прежде всего из значения параметров, обеспечиваемых непосредственно в зонах такого преобразования (т.е. там, где на поверхность изделий в данный момент времени воздействует сам осуществляющий деформацию инструмент).
Следует отметить еще и то, что достижение оптимальных результатов в процессе обработки зависит еще и от частоты колебаний переменного магнитного поля. В известном же техническом решении оптимальные значения применяемой частоты магнитного поля не устанавливаются, что, безусловно, также негативно влияет на получаемые результаты обработки.
Наличие всех перечисленных выше обстоятельств не только отрицательно сказывается на величине необходимых для осуществления процесса в соответствии с известным способом энергозатрат, но делает и нестабильными получаемые в процессе обработки сами ее результаты.
Т.е. получаемый с помощью известного способа на изделии слой зачастую оказывается слишком тонким (0,1-0,3 мм), и твердость формируемых в нем структур не отвечает задаваемым конструкторской документацией требованиям.
Повышение напряженности используемого при обработке магнитного поля для компенсации имеющихся чрезмерных магнитных потерь приводит к необходимости применения устройства с увеличенными размерами и массой его магнитного контура.
Входящие в состав известного устройства электрические обмотки-катушки должны будут, соответственно, иметь намотку из медных проводников большого диаметра и т.д.
Все указанное выше приводит к значительному увеличению необходимых для осуществления упрочнения экономических затрат.
Для снижения энергозатрат на проведение процесса поверхностной обработки деталей и повышение качественных характеристик получаемых на изделии наружных упрочненных слоев, а также уменьшения стоимости проведения способа предлагается
5
6
- способ поверхностной обработки изделия из ферромагнитных материалов, при выполнении которого к вращающейся детали прикладывают деформирующее усилие рабочего инструмента, перемещая его вдоль продольной оси изделия, и воздействуют на нее переменным магнитным полем. Напряженность переменного магнитного поля в зоне контакта рабочего инструмента с поверхностью обрабатываемого изделия, являющегося составным замыкающим элементом магнитного контура, поддерживают в пределах 1,1·10-1,1·10 А/м, а частота его колебаний находится в границах 20-70 Гц;
- устройство для осуществления способа поверхностной обработки изделия из ферромагнитных материалов, состоящее из замкнутого магнитопровода, на котором размещены электрические обмотки, соединенные с источником питания, и рабочий инструмент.
Магнитопровод выполнен в виде двух составных элементов, состоящих их собранных в пакеты отдельных пластин, стыкуемых по линии разъема и закрепленных между собой эксцентриковым поворотным кулачковым механизмом. В одном из составных элементов контура магнитопровода выполнен сквозной паз для установки в нем обрабатываемого изделия. Державка с рабочим инструментом, имеющая дополнительную обмотку-катушку, смонтирована в специально сформированной для ее закрепления внутренней полости гильзы. Полость между гильзой и державкой заполнена магнитопроводящей жидкостью, причем ось державки имеет угол наклона относительно продольной оси изделия. Электрические обмотки-катушки расположены в монтажных окнах внутри магнитопровода. Противоположная относительно рабочего инструмента сторона обрабатываемого изделия имеет опору, соединенную со вторым элементом магнитопровода, при этом конец ее, контактирующий с поверхностью детали, выполнен с возможностью проскальзывания относительно последней.
При осуществлении предлагаемого процесса с использованием указанных выше технологических особенностей и интервалов, генерируемые в зоне обработки волновые процессы, а именно:
- пластическое деформирование кристаллических решеток в поверхностных слоях изделия;
- и интенсивное перемагничивание ферромагнитных доменов, входящих в состав подвергнутых такому воздействию структур;
создают объективные условия для возникновения:
1) направленного от середины объема изделия к периферийным его слоям перемещения потоков дислокаций, захватывающих по пути следования с собой атомы углерода и легирующих примесей (ответный волновой процесс);
2) формирования в подвергаемом такому воздействию слое новых равновесных фазовых структур, ранее там отсутствующих. Т.е. соблюдение принципа изменения входящих в слои структур до такой конфигурации, которая будет иметь минимум внутренней энергии из всех возможных вариантов.
Включающие эти новые фазовые структуры слои материала после обработки приобретают соответствующие свойства, ранее не присущие исходным.
Так, например, твердость в обработанных поверхностных слоях достигает значений HRC в 70 ед., при этом толщина последних достигает двух миллиметров.
Вынос углерода и примесей из середины обрабатываемого изделия на его поверхность обеспечивает создание в центральных областях объема детали вязкого ядра из "чистого" железа, что, в свою очередь, обуславливает существенное возрастание его циклической ударной прочности (в 2-3 раза) по отношению к показателям, обеспечиваемым при использовании известного технического решения (прототипа).
1
3
Наличие появления перечисленных выше положительных факторов удалось обеспечить за счет существенного повышения создаваемой непосредственно в зоне протекания фазовой структурной перестройки напряженности магнитного поля. Фактически, как показали проведенные там замеры, его значения в этой зоне превышают те, что имели место при осуществлении известного решения - прототипа, в 10-10 раза. Достижение таких количественных показателей достигается еще и тем, что само обрабатываемое изделие входит в контур применяемого магнитного контура как его составная часть.
Существенное повышение напряженности магнитного поля в предлагаемом способе обеспечивается за счет максимально уменьшения магнитного сопротивления используемой для генерации переменного магнитного потока системы.
Достижение требуемого положительного эффекта гарантируется еще и соответствующим подбором диапазона частот применяемого для обработки магнитного поля (в 20-70 Гц). В известном техническом решении подбор диапазона частот применяемого переменного магнитного поля не осуществляется, и обработка производится при одном его фиксированном значении - 50 Гц. Это в значительной степени снижает технологические возможности известного способа (прототипа). Относительно новизны конструктивного выполнения предлагаемого устройства следует отметить следующее.
Увеличение степени концентрации магнитных силовых линий в зонах деформации становится возможным за счет применения в конструкции используемого при обработке устройства целого ряда конструктивных отличий, которые направлены в первую очередь на уменьшение неизбежно возникающего в зазорах системы - магнитопровод - обрабатывающий инструмент - изделие, магнитного сопротивления. Кроме того, дополнительное уменьшение величины магнитного сопротивления обеспечивается за счет выполнения в теле разъемного магнитопровода сквозного паза, габариты которого обеспечивают размещение обрабатываемого изделия непосредственно в теле используемого составного контура последнего. Для достижения этой же цели в теле одного из составных элементов магнитопровода формируется сквозная полость, внутри которой размещается державка с инструментом. Сквозная полость располагается под углом к продольной оси обрабатываемого изделия. Подбор величины угла наклона к продольной оси изделия производят исходя из возможности оптимизации условий работы применяемого накатного инструмента. Обычно угол установки его выбирается по отношению к продольной оси обрабатываемого изделия достаточно близким к 90°.
Для уменьшения потерь применяемой электроэнергии и повышения степени концентрации силовых линий используемого магнитного поля в зоне деформации на боковой наружной поверхности державки с инструментом размещена дополнительная электрическая обмотка-катушка, которая соединена с внешним источником питания переменным электрическим током, с помощью ее на державке создается собственный магнитный поток, усиливающий действие основного. Тело державки при этом также выполняет функцию элемента контура магнитопровода, осуществляющего направление магнитного потока в нужную точку. Для достижения минимизации потерь магнитного потока имеющиеся зазоры между телом державки с накатным инструментом, электрической обмоткой-катушкой и поверхностью внутренней установочной полости с установочной гильзой в элементе магнитопровода заполнены магнитопроводящей жидкостью. Эта жидкость может состоять из любого минерального масла, например, марки МТ16П, с частицами карбонильного железа или кобальта. Аналогичные составы используются для заполнения внутренней полости в электромуфтах (в системах управления приводами станочного оборудования). Благодаря всему вышеперечисленному устраняется влияние неизбежно возникающих в процессе стыковки входящих в конструкцию устройства элементов воздушных зазоров и, следовательно, ликвидируются связанные с их появлением дополнительные потери. Для создания возможности осуществления монтажа изделия при его обработке контур используемого в устройстве магнитопровода восполнен в виде стыкуемых по линии разъема отдельных половин - элементов, закрепляемых между собой фиксирующим рабочим органом, например эксцентриковым кулачковым механизмом. Входящие в стыкуемые половины магнитопровода элементы - наборные пластины, собраны в пакеты, имеющие пазы и выступы, с возможностью взаимного захода этих пазов и выступов на разных половинах контура в процессе его соединения в единое целое (смыкание "в шип"). Это обеспечивает минимизацию возможных потерь, вызванных необходимостью разрыва на отдельные составляющие цельного контура используемого магнитопровода при установке обрабатываемого изделия. Аналогично для уменьшения возможных энергетических потерь электрические обмотки-катушки располагаются внутри объема элементов, составляющих контур магнитопровода, в специально выполненных там монтажных окнах.
За счет проведения указанного выше монтажа электрических обмоток-катушек устраняется возможность рассеивания генерируемого ими магнитного потока куда-либо, кроме расположенного вокруг них объема используемых для этого частей конструкции. Для создания замкнутой магнитопроводящей системы, обеспечивающей беспрепятственное протекание магнитного потока по всем составным частям конструкции устройства, включая и само обрабатываемое изделие, к противоположной, относительно места установки накатного инструмента, стороне обрабатываемого изделия подводиться опора, соединенная с телом элемента контура магнитопровода. При этом ее конец, контактирующий с поверхностью детали, выполнен с возможностью проскальзывания относительно последней, к примеру, имеет установленный с возможностью вращения вокруг собственной оси шарик или ролик.
Выполнение предлагаемого способа обработки осуществляется следующим образом.
Обрабатываемое изделие устанавливается в выполненный в устройстве паз.
На используемое для обработки устройство от внешнего источника тока подается питание, поступающее на электрические обмотки-катушки; затем устройство с проходящей сквозь него державкой с накатным инструментом перемещается вдоль продольной оси обрабатываемого изделия.
На испытывающую деформационное воздействие зону обработки самой детали при этом подается переменное магнитное поле. После установки изделия на место и включения системы питания обрабатываемая по предлагаемому способу деталь за счет соединения ее объема с поверхностью соответствующих элементов составного магнитного контура начинает выполнять функции соединительного магнитопроводящего звена. Т.е. создается сборная магнитная система, включающая в себя: первый элемент контура магнитопровода - поддерживающая деталь вращающаяся опора - само изделие - накатный инструмент - другой элемент контура магнитопровода. В первом приближении конфигурация создаваемой при работе сборного магнитного контура области, в которой с заданной частотой происходит перемещение результирующего вектора формируемого в зоне обработки магнитного потока, представляет собой пространственный эллипсоид.
Контроль достигаемого уровня напряженности применяемого магнитного поля, создающейся непосредственно в зоне деформации, может осуществляться, например, с помощью подводимого в эту зону дугообразного датчика индуктивности, соединенного проводниками с составными плечами моста Максвелла (по значению наводимого в датчике ЭДС). Значение напряженности магнитного поля в аналогичной области может проводиться и по замеру той же ЭДС в специально выполняемой измерительной катушке, устанавливаемой на конце державки с накатным инструментом и т.д.
5
6
При достижении напряженности магнитного поля, соответствующей значениям 1,1·10-11·10 А/м в обрабатываемом изделии формируются потоки интенсивно перемещающихся из глубинных слоев объема в наружные атомов углерода и примесей. При взаимодействии их с активированными внешними факторами атомами, составляющими наружные слои кристаллических решеток, создается устойчивая в новых энергетических условиях структура (появляются либо мелкодисперсные зерна цементита, либо смесь из этих зерен с зернами мартенсита). Частота используемого переменного магнитного поля при обработке задается в пределах 20-70 Гц. Поддержание частоты его в заданном диапазоне производится за счет регулирования частоты подаваемого на электрические обмотки-катушки от внешнего источника питания электрического тока.
Толщина формируемых обработкой поверхностных слоев при соблюдении указанных диапазонов регулирования применяемого магнитного потока находится в пределах до 2 мм; обеспечиваемая твердость HRC - 70.
Следует отметить, что выбор границы применяемого при обработке диапазона произведен исходя из следующих соображений.
5
Использование напряженности магнитного поля, меньшей по значению, чем 1,1·10 А/м, не гарантирует получение на поверхности изделий упрочненных слоев достаточной толщины.
6
Использование же напряженности магнитного поля со значением больше, чем 11·10 А/м не обеспечивает получение в процессе обработки никаких дополнительных преимуществ, однако при этом наблюдается резкий рост необходимых для проведения способа затрат энергии.
То же самое при использовании частоты прикладываемого к зоне обработки магнитного поля, меньшей чем 20 Гц; не удается обеспечить формирование упрочненного слоя достаточно высокой твердости. Следует отметить и то, что при переходе на обработку с частотой применяемого магнитного поля, большей, чем 70 Гц, также не удается достичь оптимального результата в отношении качественных показателей формируемого упрочненного слоя. Перемагничивание ферромагнитных доменов в этом случае происходит со слишком высокой скоростью, что мешает протеканию процесса формирования новых устойчивых фазовых структур.
Подбор соответствующих режимов при осуществлении предлагаемого способа производится за счет изменения выходных характеристик используемого внешнего источника питания переменным электрическим током (за счет регулировки силы тока, напряжения и частоты). Формирование слоев с высокими физико-механическими свойствами при использовании указанных выше диапазонов обработки достигается за один-два прохода устройства, осуществляющего деформацию с наложением переменного магнитного поля, по поверхности обрабатываемого изделия.
На представленном чертеже изображены:
устройство для проведения поверхностной обработки ферромагнитных изделий и разрез тела составного магнитопровода по стыкуемым между собой элементам (чертеж, сечение Б-Б).
Предлагаемое устройство состоит из элементов 1 контура составного магнитопровода с электрическими обмотками-катушками 2, размещенными в специальных монтажных окнах.
Стыкуемые по линии разъема А половины-элементы 1 магнитопровода имеют выполненный в их телах сквозной паз для установки обрабатываемого изделия 3.
С поверхностью изделия 3 - с одной из его сторон, контактирует конец накатного инструмента 4, который прижимается к ней под определенным, заранее заданным усилием.
Накатной инструмент 4 закреплен в державке 5.
На боковой наружной поверхности державки 5 смонтирована дополнительная электрическая обмотка-катушка 6.
Электрические обмотки-катушки 2 и 6 имеют электрическую связь с внешним источником питания (не показано).
Дополнительная электрическая обмотка-катушка 6 и корпус державки 5 устанавливаются в гильзе 7, которая в свою очередь монтируется в выполненной в теле элемента 1 внутренней полости. Пространство между телом державки 5, витками электрической обмотки-катушки 2 и поверхностью установочной гильзы 7 заполняется жидкой магнитопроводящей жидкостью 8.
Усилие прижатия накатного инструмента 4 к поверхности изделия 3 регулируется с помощью винтовой пары (не показана).
Введение магнитопроводящей жидкости 8 во внутреннюю полость элемента 1 осуществляется с помощью обыкновенной шприц-масленки (не показана).
Вытеканию магнитопроводящей жидкости 8 из объема полости препятствует система уплотнений, размещенных в переднем и заднем торцах установочной полости (не показаны).
Фиксация элементов 1 магнитопровода между собой после установки обрабатываемого изделия 3 и их совмещения по линии разъема А (см. разрез Б-Б) производится эксцентриковым поворотным кулачковым механизмом 9. Элементы магнитопровода 1 вместе с остальными его узлами размещаются на поддерживающих стойках (не показаны) на суппорте продольного и поперечного перемещения используемого для обработки металлорежущего оборудования (не показано).
С противоположной стороны относительно зоны действия накатного инструмента 4 к изделию 3 подводится дополнительная опора 10. Опора 10 соединяется с телом соответствующей половины - элемента 1 составного магнитопровода, и выполняет функции дополнительного магнитного проводника между ним и самим обрабатываемым изделием 3.
На конце опоры 10 закрепляется шарик 11, установленный с возможностью поворота и проскальзывания относительно контактирующей с ним поверхности изделия 3.
Подача питания на все электрические обмотки-катушки 2 и катушку 6 от внешнего источника тока производится через соответствующие клеммы и проводники (не показаны).
Обработка изделий в предлагаемом устройстве проводится следующим образом.
Элементы 1 составного магнитопровода отводятся один от другого по линии разъема А. При осуществлении этого эксцентриковый кулачковый механизм 9 повернут в плоскости, обеспечивающей беспрепятственное рассоединение и перемещение друг от друга элементов 1 контура магнитопровода используемого устройства.
В выполненный в элементах 1 сквозной паз устанавливается и закрепляется обрабатываемое изделие 3.
После этого элементы 1 вновь стыкуются между собой по линии разъема А. При этом пластины выступы одного элемента входят в оставленные специально для этого пазы другого; соединяясь между собой "в шип" (см. разрез Б-Б). Кулачковый эксцентриковый механизм 9 вновь поворачивают относительно его оси, осуществляя плотную фиксацию стыкуемых половин-элементов 1 за счет их прижатия друг к другу. К боковой поверхности обрабатываемого изделия 3 с помощью державки 5 подводится накатной инструмент 4. Перемещение инструмента и плотное прижатие с фиксацией последнего осуществляется винтовой парой поперечного суппорта.
С противоположной стороны поверхность обрабатываемого изделия 3 прижимается к вращающемуся шарику 11 дополнительной опоры 10; тело которой запрессовано в установочном отверстии второй разъемной половины - элементе 1 контура магнитопровода.
На все участвующие в создании переменного магнитного поля электрические обмотки-катушки 2 и дополнительную катушку 6 подается питание электрическим током через клеммы и соответствующие проводники от внешнего источника тока. Подбор соответствующих электрических параметров внешнего источника питания (частота, сила тока, напряжение) производиться с учетом обеспечения в зоне обработки необходимых для упрочнения изделия 3 технологических параметров накладываемого на зоны деформации магнитного поля.
После проведения подбора необходимых электрических параметров источника энергии, используемого для питания электрических обмоток-катушек 2 и 6, производится соответствующее соединение электрических цепей.
В магнитопроводе при прохождении переменного электрического тока через электрические обмотки-катушки 2 и 6 генерируется магнитный поток, линии которого проникают непосредственно в зону обработки, расположенную в месте контакта накатного инструмента 4 с поверхностью обрабатываемого изделия 3. Прохождение генерируемого в элементах 1 магнитопровода переменного магнитного потока осуществляется вдоль следующей сборной магнитной цепи: элементы магнитопровода 1 - накатной инструмент 4 - обрабатываемое изделие 3 - дополнительная опора 10 - опять элемент 1 магнитопровода, входящий в его противоположную половину.
Сам составной магнитный контур из элементов 1 перемещается при обработке вместе с накатным инструментом вдоль всей боковой поверхности изделия 3, формируя на ней глубокие упрочненные слои с преобразованной относительно исходной структурой входящих в них микрообъемов материала. Вращение изделия 3 осуществляется за счет использования соответствующего привода применяемого металлорежущего оборудования (не показано).
Передвижение устройства в продольном и поперечном направлениях обеспечивается за счет размещения его на суппорте используемого станка. По завершении полного цикла операции, и в случае необходимости, поверхность изделия 3 может быть подвергнута повторной обработке (второй проход). По окончании технологического перехода элементы 1 контура магнитопровода обесточиваются, а затем размыкаются по линии разъема А путем проведения соответствующего поворота вокруг своей оси эксцентрично закрепленного кулачкового механизма 9 и разведения половин-элементов 1 контура. После этого готовое изделие 3 извлекается из контура устройства.
Применение предложенного технического решения позволяет формировать на обрабатываемом изделии поверхностный слой, обладающий высокой твердостью и циклической усталостной прочностью. При этом обеспечивается существенное снижение энергетических затрат в процессе осуществления обработки и заметно увеличивается срок службы применяемых в объектах техники тяжело нагруженных элементов.