УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Устройство относится к ультразвуковой технике, а именно к устройствам для обработки металлических поверхностей путем поверхностно-пластического деформирования на ультразвуковой частоте, а также для получения износостойких и антифрикционных покрытий на основе минеральных материалов. Может быть применено в машиностроении, судостроении, а также при проведении ремонтов деталей.
Известна «Установка для нанесения комбинированного минерального покрытия» по патенту РФ на полезную модель RU 84280 U1 от 10.07.2009, МПК В23Н 5/04, В23Н 5/14 - [1], содержащая основание, узел для размещения, крепления и транспортировки изделия, а также узел для нанесения на изделие покрытия с электрод-инструментом, установленным с возможностью вращения, совмещенного с возвратно-поступательным перемещением. При этом установка снабжена дополнительно установленным устройством подачи и нанесения минерального порошка, соединенным с емкостью для мелкодисперсного минерального порошка. Установка также снабжена источниками тока и генератором электрических импульсов.
К недостаткам известного устройства относятся:
- высокое омическое сопротивление твердосплавного стержня, через который осуществляется подвод тока и наличие поступающего минерального порошка, которые не позволяют обеспечивать стабильный электрический контакт для образования искры и соответственно качественного покрытия;
- наличие перегородки между обрабатываемой деталью и узлом нанесения покрытия, которая должна повторять контур обрабатываемой детали, что усложняет процесс подготовки к работе и увеличивает себестоимость процесса.
Известен патент США: SU 6531187 В1 от 11.03.2003, МПК С04В 35/645, С23С 24/04, «Method of forming shaped body of bristle ultra fine particle at low temperature» - [2]. Устройство для реализации данного способа использует ультразвуковой рабочий орган, для внедрения в поверхность обработки постоянно подаваемого по трубе в зону его воздействия мелкодисперсного минерального порошка. Поверхности для нанесения покрытий в устройстве для реализации способа [2] могут быть различными, что в большинстве случаев при проведении ремонтных работ и не требуется.
Недостатком известного аналога [2] является его сложность, а также необходимость постоянной подачи мелкодисперсного минерального порошка, что дополнительно увеличивает его потери, и требует защиты персонала (их органов зрения и дыхания) при реализации способа.
Прототипом заявленного технического решения является «Способ упрочнения с ультразвуком наружных цилиндрических поверхностей» по патенту РФ на изобретение RU 1426764 С1 от 30.09.1988, МПК В24В 39/00 - [3]. Устройство для реализации способа [3] состоит из установленного в резцедержателе токарного станка магнитострикционного преобразователя с волноводом-концентратором и рабочим инструментом, и установленной в патроне токарного танка обрабатываемой детали. В способе [3] обрабатываемую деталь вращают и подвергают поверхностному пластическому деформированию со статическим усилием, а инструменту сообщают осевую подачу и ультразвуковые колебания в продольном и поперечном направлениях, при этом в качестве инструмента выбирают цилиндрический ролик, образующую которого располагают параллельно образующей цилиндрической детали, а его ось располагают под углом к оси детали, дополнительно сообщают ему принудительное вращение относительно собственной оси и угловое возвратно-поступательное перемещение по образующей детали, а ультразвуковые колебания передаются на две зоны цилиндрического ролика, отстоящих от центра пятна контакта цилиндрического ролика с деталью на расстояние, не менее чем величина хода цилиндрического ролика вдоль своей оси.
Однако известный способ [3], направленный на упрочнение поверхностей деталей, не обеспечивает получения поверхностного слоя высокого качества, и, следовательно, повышения износостойкости и долговечности деталей.
К недостаткам устройства, реализующего способ [3] относятся:
- невысокая надежность конструкции для обеспечения принудительного вращения цилиндрического ролика относительно собственной оси и создания углового возвратно-поступательного перемещение по образующей детали;
- сложность точной установки волновода, который должен передавать ультразвуковые колебания на две зоны цилиндрического ролика, отстоящих от центра пятна контакта цилиндрического ролика с деталью на расстояние, не менее чем величина хода цилиндрического ролика вдоль своей оси, что не обеспечивает получение поверхностного слоя высокого качества и, следовательно, повышение износостойкости и долговечности деталей.
Кроме того, в прототипе в качестве рабочего инструмента используется с принудительным вращением цилиндрический ролик (с плоской наружной поверхностью), а это приводит:
- к усложнению конструкции приводов (конструкцию устройства в целом);
- сравнительно большей площади соприкосновения ролика с поверхностью обрабатываемой детали, что снижает усилие воздействия на обрабатываемую деталь, и, следовательно, снижает качество обработки ее поверхности или приводит к необходимости повышения мощности ультразвукового магнитострикционного преобразователя;
- к невозможности обработки переходов с разными диаметрами обрабатываемой детали, а также небольших (по значению) ее конусных поверхностей.
Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для ультразвукового нанесения покрытий состоит из установленного в резцедержателе токарного станка магнитострикционного преобразователя с волноводом-концентратором и рабочим инструментом и установленной в патроне токарного танка обрабатываемой детали. Обрабатываемая деталь содержит предварительно нанесенный на нее минеральный материал. Рабочий инструмент магнитострикционного преобразователя с волноводом-концентратором выполнен в виде свободно вращающегося диска, с плоской наружной поверхностью. Направление воздействий магнитострикционного преобразователя через волновод-концентратор и рабочий инструмент - свободно вращающийся диск, составляет 90 градусов к оси обрабатываемой детали, а ось вращения свободно вращающего диска параллельна оси вращения обрабатываемой детали.
Технический результат заявленной полезной модели состоит в упрощении конструкции устройства, в повышении его надежности, а также повышении качества и производительности обработки при его использовании.
Усовершенствование технологии обработки заявленного устройства происходит за счет расположения оси магнитострикционного преобразователя с волноводом-концентратором и рабочим инструментом (направления их воздействия) под прямым углом к оси детали и отсутствия дополнительных механизмов принудительного вращения рабочего инструмента - диска относительно собственной оси.
Повышение качественных характеристик получаемого покрытия происходит из-за внедрения в поверхность обрабатываемой детали с предварительно нанесенным на нее минеральным материалом износостойкого слоя из минерального материала (геоматериала), обладающего высокой антифрикционной стойкостью и устойчивостью к деформации. При этом используется эффект поверхностно-пластического деформирования на ультразвуковой частоте, где в качестве рабочего инструмента работает свободно вращающийся диск, который осуществляет закатку и ударное внедрение в поверхность обрабатываемой детали минерального материала.
Свободное вращение диска не выталкивает нанесенный на обрабатываемую поверхность минеральный материал, а закатывает его в поверхность и закрепляет деформированием поверхности, что обеспечивает качество обработки.
На фиг. 1 представлена схема заявленной полезной модели. На фиг. 2 - увеличенный и повернутый вид А по фиг. 1. На фиг. 3 - увеличенный вид А в по фиг. 1, На фиг. 1, 2 и 3 позициями обозначены: 1 - магнитострикционный преобразователь с волноводом-концентратором; 2 - рабочий инструмент, выполненный в виде свободно вращающегося диска, с плоской наружной поверхностью; 3 - резцедержатель токарного станка; 4 - обрабатываемая деталь с предварительно нанесенным на нее минеральным материалом; 5 - патрон токарного станка.
Устройство для ультразвукового нанесения покрытий (износостойких и антифрикционных) на основе минеральных материалов, согласно фиг. 1, содержит магнитострикционный преобразователь с волноводом-концентратором (1), установленные в одном корпусе, и рабочий орган, выполненный в виде свободно вращающегося диска (2), с плоской наружной поверхностью. Магнитострикционный преобразователь с волноводом-концентратором (1) жестко закреплен в резцедержателе (3) токарного станка. Обрабатываемая деталь (4) с предварительно нанесенным на нее
минеральным материалом установлена (зажата) в патроне (5) токарного станка. Направление воздействий магнитострикционного преобразователя (1) через волновод-концентратор и рабочий инструмент - свободно вращающийся диск (2) составляет 90 градусов к оси обрабатываемой детали (4), а ось вращения свободно вращающего диска (2) параллельна оси вращения обрабатываемой детали (4).
Устройство работает следующим образом: в патрон (5) токарного станка устанавливают (зажимают) обрабатываемую деталь (4) с предварительно нанесенным на нее минеральным материалом, например ее предварительной покраской (с высыханием или без высыхания), гальваническим нанесением и т.д. Вращение от патрона (5) токарного станка передается на обрабатываемую деталь (4). Рабочий орган (2) магнитострикционного преобразователя (1) с волноводом-концентратором при помощи резцедержателя (3) подводят к поверхности обрабатываемой детали (4) с предварительно нанесенным на нее минеральным материалом. На магнитострикционный преобразователь (1) подают ток ультразвуковой частоты от генератора (на фигурах не показан). Магнитострикционный преобразователь (1) преобразует ток генератора в механические колебания ультразвуковой частоты, которые через волновод-концентратор передаются на рабочий орган - свободно вращающийся диск (2), которым воздействуют на обрабатываемую деталь 4 с предварительно нанесенным на нее минеральным материалом. Тем самым осуществляют внедрение в поверхность обрабатываемой детали минерального материала. На обработанной поверхности детали (4) дополнительно создаются сжимающие напряжения, которые благоприятно влияют на напряженное состояние детали (4), одновременно повышается чистота обработанной поверхности детали (4).
Таким образом, предлагаемое в качестве полезной модели устройство для ультразвукового нанесения покрытий, в том числе износостойких и
антифрикционных, полученных на основе минеральных материалов, позволяет получать различные покрытия, в том числе и комбинированные. Поверхности обрабатываемых деталей получаются с высокими качественными характеристиками (поверхностного слоя). При этом способ применения заявленного устройства отличается высокой производительностью.
Полагаем, что заявленное техническое решение является новым для общеизвестных устройств ультразвукового нанесения покрытий, представленное в совокупности с признаками формулы полезной модели, и, следовательно, соответствует критерию "новизна". Это следует и из того, что использование в заявленном техническом решении в качестве рабочего инструмента свободно вращающегося диска (то есть ролика с небольшой длиной), с плоской наружной поверхностью по сравнению с прототипом приводит к: 1 - существенному упрощению конструкции устройства, так как привода диска (ролика) в конструкции не существует; 2 - сравнительно малой площади соприкосновения ролика с поверхностью обрабатываемой детали, что повышает усилие воздействия на обрабатываемую деталь и, следовательно, повышает качество обработки ее поверхности; 3 - повышению производительности обработки в связи с возможностью увеличения скорости вращения обрабатываемой детали или скорости подачи резцедержателя; 4 - к расширению функциональных возможностей устройства, а именно возможности обработки переходов с разными диаметрами обрабатываемой детали, а также небольших (по значению) ее конусных поверхностей;
- реализация устройства для ультразвукового нанесения покрытий не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
Литература
1. Патент РФ на полезную модель: RU 84280 U1 от 10.07.2009, МПК В23Н 5/04, В23Н 5/14, «Установка для нанесения комбинированного минерального покрытия».
2. Патент США: SU 6531187 В1 от 11.03.2003, МПК С04В 35/645, С23С 24/04, «Method of forming shaped body of bristle ultra fine particle at low temperature.
3. Патент РФ на изобретение RU 1426764 С1 от 30.09.1988, МПК В24В 39/00, «Способ упрочнения с ультразвуком наружных цилиндрических поверхностей» - прототип.