СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
METHOD OF CYLINDRICAL PART PLASTIC FORMING

Изобретение относится к области механической обработки материалов, а именно к упрочнению поверхностей методом поверхностного пластического деформирования с приданием ему особых свойств и может быть использовано в различных отраслях машиностроения.
Известен способ обработки цилиндрических деталей (см. авторское свидетельство №1263510, B24B 39/04, бюл. №38, 1986 г.), при котором на поверхность наносят рельеф в виде периодических кольцевых канавок вдоль оси детали радиальным перемещением деформирующего инструмента, которому дополнительно сообщают колебательное движение в направлении, перпендикулярном его возвратно-поступательному перемещению вдоль оси, при этом частому колебательного движения деформирующего инструмента выбирают равной 0,0005-0,025 частоты возвратно-поступательного перемещения деформирующего инструмента.
Признаки, совпадающие - осуществляют поверхностное пластическое деформирование цилиндрической детали деформирующим инструментом, которому дополнительно сообщают колебательное движение вдоль оси детали.
Причины, препятствующие поставленной задаче - нет возможности сформировать на поверхности детали регулярный микрорельеф в виде пересекающихся волн заданной амплитуды и шага, а также их изменения в процессе работы.
Известен способ обработки цилиндрических деталей (см. авторское свидетельство №1353596, B24B 39/04, бюл. №43, 1987 г.), при котором осуществляют поверхностное пластическое деформирование вращающейся детали коническим роликом с постоянным радиальным усилием при сообщении ему движения подачи вдоль оси детали, при этом за счет обеспечения заданной направленности физико-механических и геометрических свойств поверхностного слоя детали пластическое деформирование осуществляют с переменным удельным давлением, причем конический ролик устанавливают перпендикулярно оси обрабатываемой детали и сообщают ему дополнительное движение подачи, перпендикулярное его основному перемещению и касательное к обрабатываемой поверхности.
Признаки, совпадающие - осуществляют поверхностное пластическое деформирование вращающейся детали роликом с постоянным радиальным усилием при сообщении ему движения подачи вдоль оси детали, причем конический ролик устанавливают перпендикулярно оси обрабатываемой детали и сообщают ему дополнительное движение подачи.
Признаки, препятствующие поставленной задаче - нет возможности сформировать регулярный микрорельеф в виде пересекающихся волн заданной амплитуды и его изменения в процессе работы.
За прототип принят известный способ обработки цилиндрических деталей (см. патент РФ №2221686, МКИ B24B 39/00, 39/04, бюл. №2, 2002 г), при котором осуществляют поверхностное пластическое деформирование вращающейся детали роликом с постоянным радиальным усилием при сообщении ему движения подачи вдоль оси детали, при этом ролику придают колебательные движения посредством линейного шагового привода относительно плоскости, перпендикулярной оси обрабатываемой детали, и дополнительно осуществляют возможность совершать возвратно-поступательные перемещения, параллельные его основному.
Признаки, совпадающие - осуществляют поверхностное пластическое деформирование вращающейся детали роликом с постоянным радиальным усилием при сообщении ему движения подачи вдоль оси детали и колебательных движений посредством линейного шагового привода относительно плоскости, перпендикулярной оси обрабатываемой детали, и дополнительно осуществляют возможность совершать возвратно-поступательные перемещения, параллельные его основному.
Признаки, препятствующие поставленной задаче - не учитывается твердость материалов обрабатываемой детали и обкатывающего ролика.
Задачей настоящего изобретения является возможность формировать регулярный микрорельеф на поверхности в зависимости от твердости материалов обрабатываемой детали и деформирующего ролика, позволяющей повысить ее усталостную прочность и стойкость к поверхностному истиранию.
Для достижения технического результата в способе обработки цилиндрических деталей, при котором осуществляют поверхностное пластическое деформирование роликом с постоянным радиальным усилием при сообщении ему движения подачи вдоль оси детали и колебательных движений посредством линейного шагового привода относительно плоскости, перпендикулярной оси обрабатываемой детали, и дополнительно осуществляют возможность совершать возвратно-поступательные перемещения, амплитуду A и частоту f колебательных движений ролика определяют по формулам
-3
m
HV
A=10 S(1-K), мм;
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mi>д</mi></msub></mrow><mrow><mn>60</mn></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>H</mi><mi>V</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> Гц</mtext></mrow>
,
m
HV
P
д
а величину возвратно-поступательного перемещения ролика L принимают равной L=(1,5-2,0) А, мм, где S - шаг регулярного микрорельефа на обрабатываемой поверхности детали, мкм; K - коэффициент, определяемый отношением твердости обрабатываемого материала детали НУд к твердости материала деформирующего ролика HV; n - частота вращения обрабатываемой детали, об/мин.
Способ обработки заключается в нанесении на поверхность вращающейся детали регулярного микрорельефа поверхностным пластическим деформированием при сообщении ему движения подачи вдоль оси детали. При этом деформирующий ролик кинематически связан с шаговым приводом линейного перемещения, от которого он получает колебательные движения относительно плоскости, перпендикулярной оси детали, амплитуда A и частота f которых предварительно определяются по формулам
-3
m
HV
A=10 S(1-K), мм;
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mi>д</mi></msub></mrow><mrow><mn>60</mn></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>H</mi><mi>V</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> Гц</mtext></mrow>
,
m
HV
Д
P
д
где S - шаг регулярного микрорельефа на обрабатываемой поверхности детали, мкм; K - коэффициент, определяемый отношением твердости обрабатываемого материала детали HV к твердости материала деформирующего ролика HV; n - частота вращения обрабатываемой детали, об/мин.
Одновременно ролик дополнительно имеет возможность совершать возвратно-поступательные перемещения в сторону воздействия шагового линейного привода, т.е. параллельно основному движению. При этом величина дополнительного возвратно-поступательного перемещения ролика принимается равной L=(1,5-2,0)A. В результате при нанесении на поверхность обрабатываемой детали регулярного микрорельефа учитывается твердость материалов детали и деформирующего ролика, а на поверхности образуется регулярный микрорельеф в виде пересекающихся волн переменной плотности по амплитуде и шагу, изменяющийся в диапазоне, зависящем от твердости материалов обрабатываемой детали и ролика. Это позволяет повысить усталостную прочность и стойкость к поверхностному истиранию обрабатываемой детали как за счет наносимого управляемого регулярного микрорельефа, так и созданием направленной текстуры материала поверхностного слоя. Получаемый на поверхности детали регулярный микрорельеф, параметры которого зависят от твердости материалов обрабатываемой детали и деформирующего ролика, может быть изменен в процессе обработки детали и позволяет создавать «масляные карманы», дополнительно способствующие повышению срока службы детали.
В качестве одного из устройств, посредством которого возможно осуществление предлагаемого способа обработки цилиндрических деталей, может быть известное устройство для упрочняющего обкатывания деталей методом поверхностного пластического деформирования, содержащее корпус, шаговый привод линейного перемещения, блок управления в виде задатчика сигналов и деформирующий ролик, кинематически связанный с шаговым приводом линейного перемещения. При этом устройство снабжено сферическим шарниром, осью, упругими элементами и серьгой. В корпусе устройства выполнены направляющие пазы, в которые вмонтирована серьга. Кинематическая связь деформирующего ролика с шаговым приводом линейного перемещения осуществляется посредством указанной серьги. Деформирующий ролик установлен между двумя упругими элементами с возможностью колебательного перемещения относительно плоскости, перпендикулярной оси обрабатываемой детали, с периодическим смещением зоны контакта и смонтирован на сферическом шарнире, установленном на оси с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направлении, параллельном воздействию шагового привода за счет упругих элементов. Амплитуда A и частота f колебательных движений деформирующего ролика относительно плоскости, перпендикулярной оси обрабатываемой детали, задаются изменением жесткости упругих элементов устройства в зависимости от твердости материалов обрабатываемой детали и деформирующего ролика, используя формулы
-3
m
HV
A=10 S(1-K), мм;
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mi>д</mi></msub></mrow><mrow><mn>60</mn></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>H</mi><mi>V</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> Гц</mtext></mrow>
,
m
HV
Д
Р
д
а величина возвратно-поступательного перемещения ролика L в направлении, параллельном воздействию шагового привода, устанавливается равной L=(1,5-2,0)A, где S - шаг регулярного микрорельефа на обрабатываемой поверхности детали, мкм; K - коэффициент, определяемый отношением твердости обрабатываемого материала детали HV к твердости материала деформирующего ролика HV; n - частота вращения обрабатываемой детали, об/мин.
Д
Д
Д
m
Р
д
2
2
2
2
Проведены сравнительные испытания предлагаемого способа обработки цилиндрических деталей и по прототипу (см. патент РФ №2221686, МКИ B24B 39/00, 39/04, бюл. №2, 2002 г). Упрочняющей обработке подвергались цилиндрические валики диаметром 32 мм и длиной 250 мм, изготовленные из сталей 12Х3Н, 20ХН2МА и 50ХН. Предварительно валики подвергались шлифованию на круглошлифовальном станке мод. 3А150, в результате которого имели следующую среднюю микротвердость материала поверхностного слоя: сталь 12Х3Н - HV=280 кгс/мм; сталь 20ХН2МА - HV=300 кгс/мм; сталь 50ХН - HV=330 кгс/мм. Шаг регулярного микрорельефа обработанной поверхности был принят равным S=50 мкм. Обкатывание валиков осуществлялось на токарно-винторезном станке мод 1А620 с использованием известного устройства для упрочняющего обкатывания деталей методом поверхностного пластического деформирования. Деформирующий ролик диаметром 48 мм и радиусом рабочего профиля 16 мм был изготовлен из закаленной быстрорежущей стали Р6М5 и имел микротвердость поверхностного слоя рабочего профиля HV=480 кгс/мм. Принятые режимы обработки (усилие обкатки P, H; продольная подача деформирующего ролика S, мм/об.; частота вращения обрабатываемой детали n, об./мин.) и параметры дополнительного перемещения деформирующего ролика (A, мм; f Гц; L, мм) приведены в табл.1.
Таблица 1
Режимы обработки валиков и параметры колебательных движений и дополнительного перемещения деформирующего ролика
Материал валиков
Режимы обработки
Параметры перемещения ролика
P, Н
S, мм/об.
n<sub>Д</sub>, об/мин.
A, мм
f, Гц
L, мм
12Х3Н
500
0,15
200
0,025
2
0,04
20ХН2МА
600
0,15
160
0,020
2
0,03
50ХН
800
0,1
125
0,015
1,5
0,03
-1
ц
4
Испытания обработанных валиков на усталостную прочность производилось на установке для испытания материалов на усталостную прочность (см. Бутенко В.И. «Структура и свойства материалов в экстремальных условиях эксплуатации». - Таганрог: Изд-во Технологического ин-та ЮФУ, 2007. С.157)), а на стойкость к поверхностному истиранию - на установке для испытания материалов на изнашивание (см. Бутенко В.И. «Научные основы нанотрибологии». - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. С.20). При испытаниях определялись следующие эксплуатационные показатели обработанной поверхности валиков: интенсивность изнашивания I, мг/час; максимальное допустимое напряжение в сечении испытываемых на усталостную прочность валиков σ, МПа, при установленном числе циклов нагружений N=10 циклов. Результаты испытаний приведены в табл.2.
Таблица 2
Результаты сравнительных испытаний предлагаемого способа обработки цилиндрических деталей и прототипа
Материал валиков
Прототип
Предлагаемый способ
I, мг/ч
σ<sub>-1</sub>, МПа
I, мг/ч
σ<sub>-1</sub>, МПа
12ХН3А
12,5
38
6,7
56
20ХН2МА
10,3
41
5,2
64
50ХН
8,6
57
4,5
89
Анализ представленных в табл.2 результатов испытаний позволяет сделать вывод о том, что применение предлагаемого способа обработки цилиндрических деталей обеспечивает практически в 2 раза увеличение сопротивляемости материала поверхностного слоя деталей и на 40-50% повышает их усталостную прочность.