КОМПЛЕКСНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к устройствам, обеспечивающим наноструктурирующую обработку металла интенсивным поверхностным пластическим деформированием и условия для ее осуществления.
Наноструктурирующая обработка поверхностного слоя с высоким фрикционно-силовым и скоростным нагружением сопровождается существенным увеличением температуры в очаге деформации. Повышенная температура может привести к рекристаллизации материала наноструктурируемого поверхностого слоя обрабатываемой детали. При повышении температуры возникают предпосылки исчерпания сдвиговой неустойчивости обрабатываемой поверхности, ее повреждения, увеличивается шероховатость обрабатываемой поверхности и существенно возрастает износ рабочей части индентора инструмента.
Известен способ упрочняющей обработки поверхностей деталей выглаживанием с наноструктурированием их поверхностного слоя, включающий движение выглаживателя с индентором по поверхности механически обработанной заготовки с установленными нагрузкой и скоростью. Индентор инструмента выполнен из мелкодисперсного кубического нитрида бора. Многократные проходы выглаживателя по заготовке осуществляют с принудительным обдувом рабочей зоны сухим воздухом или инертным газом (патент на изобретение №2458777). Принципиальное улучшение физико-механических характеристик металла достигается за счет многократной интенсивной пластической деформации сдвига материала поверхностного слоя и формирования мелкофрагментированной структуры. Требуемый коэффициент трения поддерживается путем уменьшения влияния жировых пленок, образовавшихся на поверхности после предшествующего прохода точением и при наноструктурирующем выглаживании за счет интенсивного обдува рабочей зоны сухим воздухом или инертным газом (азот, аргон).
2
Известен способ обработки деталей ледяными гранулами HO, направленными на обрабатываемую деталь рабочим потоком газа. Ледяные гранулы получают путем подачи в смесительное устройство капель жидкости непосредственно в рабочий поток газа, который охлаждают до температуры, обеспечивающей заданную твердость гранулам. Способ предназначен для упрочнения поверхности деталей (а.с. №715295).
Недостатком является увлажнение обрабатываемой детали, приводящее к коррозии поверхности.
2
Известна технология очистки поверхности сухим льдом (криогенный бластинг), которая является инновационной технологией относительно стандартных методов очистки. В основе технологии лежит принцип струйного распыления гранул сухого льда (CO) с использованием промышленных бластеров, выпускаемых компаниями «АйсСити, 1CRYO.
Применение бластеров при обработке деталей на токарно-фрезерных центрах технически невозможно из-за повышенных габаритов устройства.
Наиболее близким является выглаживающий инструмент для наноструктурирования поверхностного слоя деталей, с внутренним охлаждением индентора и рабочей частью индентора, выполненной из материала с теплопроводностью более 400 Вт/(м·К) (патент РФ на полезную модель №131711).
Недостатком является снижение коэффициента трения вследствие наличия на обрабатываемой поверхности остатков СОТС от предшествующего прохода и ограниченная скорость выглаживания из-за недостаточного охлаждения обрабатываемой поверхности.
2
Для повышения эффективности наноструктурирования и скорости обработки за счет создания оптимальных температурных условий путем одновременного охлаждения обрабатываемой поверхности и индентора инструмента, а также стабилизации значения коэффициента трения за счет очистки обрабатываемой поверхности от жировых пленок СОТС, предлагается комплексное устройство для наноструктурирования поверхностного слоя при механической обработке деталей, состоящее из выглаживающего инструмента для наноструктурирования поверхностного слоя деталей с внутренним охлаждением и рабочей частью индентора, выполненной из материала с теплопроводностью более 400 Вт/(м·К), направляющего сопла, соединенного с патрубками, подающими гранулы сухого льда CO и воздух под давлением, установленного под углом α≤90° к поверхности заготовки, и экрана, закрепленного на корпусе выглаживающего инструмента, имеющего окно в зоне контакта гранул сухого льда с обрабатываемой поверхностью.
2
2
Новые признаки - направляющее сопло, соединенное с патрубками, подающими гранулы CO и воздух под давлением, установленное под углом α≤90° к поверхности заготовки, и экран, закрепленный на корпусе выглаживающего инструмента, имеющий окно в зоне контакта гранул сухого льда CO с обрабатываемой поверхностью, которые обеспечивают интенсификацию процесса наноструктурирования за счет одновременного охлаждения индентора инструмента и обрабатываемой поверхности, очистки обрабатываемой поверхности гранулами сухого льда от СОТС, жировых пятен, масел и других загрязнений, окисных пленок.
На фиг. 1 изображено комплексное устройство для наноструктурирования поверхностного слоя при механической обработке деталей.
2
2
2
Комплексное устройство для наноструктурирования поверхностного слоя при механической обработке деталей содержит выглаживающий инструмент для наноструктурирования поверхностного слоя деталей 1 с индентором 2, рабочая часть 3 которого выполнена из материала с теплопроводностью более 400 Вт/(м·К). На корпусе инструмента 1 закреплен экран 4, имеющий окно 5, расположенное в зоне расположения сопла 6 и выхода потока 9 гранул сухого льда CO с обрабатываемой поверхностью. Комплексное устройство содержит также направляющее сопло 6, соединенное с патрубком 7, подающим гранулы сухого льда CO и патрубком 8, подающим воздух. Поток 9 ледяных гранул CO под давлением воздействуют на обрабатываемую поверхность заготовки 10. Сопло 6 установлено под углом α≤90° к поверхности заготовки 10.
2
Комплексное устройство для наноструктурирования поверхностного слоя при механической обработке деталей, работает следующим образом. На выглаживающий инструмент 1 закрепляют экран 4 и инструмент с экраном устанавливают на токарно-фрезерный центр MULTUS-300 ВМ. Для охлаждения индентора создают в инструменте поток хладагента СОТС, который обеспечивает интенсивный конвективный теплообмен за счет формирования турбулентного потока жидкого хладагента в полости инструмента. Задают силу выглаживания P=340 H. Инструмент 1 подводят к обрабатываемой поверхности заготовки 10 и сообщают инструменту 1 и заготовке 10 движения в соответствии с заданными параметрами режимов выглаживания. Поверхность заготовки из цементованной стали 20X, закаленной до HRC 59 предварительно обрабатанную точением, подвергают наноструктурирующему выглаживанию. Скорость выглаживания Vвыгл.=20 м/мин. Подача S=0,04 мм/об. Величина параметров процесса задавалась программой. В инструмент под давлением 1,5 МПа подавали жидкий хладагент с объемным расходом 0,9 л/мин., который заполнял полость индентора, полость корпуса, образуя турбулентный поток и выходил через трубку, охлаждая рабочую часть 3 индентора. В качестве жидкого хладагента использовалось СОТС Rhenus. При рабочем движении инструмента происходит интенсивное охлаждение рабочей части индентора. Выглаживание производили инструментом с рабочей частью индентора, изготовленного из кубического нитрида бора с коэффициентом трения по цементованной стали 20X fтр=0,34, имеющим цилиндрическую форму заточки R=2 мм, длина образующей 3 мм. Количество проходов n=2. Через сопло 6, установленное под углом α=90° к поверхности заготовки, под давлением подавался поток 9 гранул сухого льда CO. Конструкция комплексного устройства для наноструктурирования поверхностного слоя при механической обработки деталей обеспечивает интенсификацию охлаждения индентора как за счет формирования турбулентного потока жидкого хладагента в полости инструмента, так и за счет отвода тепла от обрабатываемой поверхности потоком гранул сухого льда 9 с одновременным удалением жировых пятен, масел и других загрязнений, окисных пленок, что позволяет значительно повысить эффективность процесса.
Комплексное устройство для наноструктурирования поверхностного слоя при механической обработке деталей может содержать выглаживающий инструмент другой конструкции, например с рабочей частью индентора, выполненной из материала с теплопроводностью более 400 Вт/(м·К) (патент РФ на полезную модель №115706), внутреннее охлаждение индентора в котором осуществляется низкокипящей жидкостью. Возможно применение выглаживающего инструмента без охлаждения, но при этом уменьшается скорость выглаживания и увеличивается время обработки.
В результате сформирована поверхность с размером нанокристаллов менее 80 нм и шероховатостью поверхности Ra=90-110 нм. Путевая стойкость инструмента по критерию шероховатости обработанной поверхности составляет более 9,5 км.
Применение предлагаемого комплексного устройства для наноструктурирования поверхностного слоя при механической обработке деталей позволит увеличить скорость наноструктурирующей обработки в 2-3 раза.