ВЫГЛАЖИВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С МОДУЛЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к конструкции инструмента для обработки металлов поверхностным пластическим деформированием - выглаживанием.
При наноструктурирующей обработке металлов выглаживанием с высоким фрикционно-силовым и скоростным нагружением поверхностного слоя из-за интенсивного тепловыделения и существенного нагрева контактной зоны происходит повреждение поверхности изделия и инструмента.
Для уменьшения изнашивания инструмента, обеспечения требуемого качества обрабатываемой поверхности и увеличения производительности процесса применяют смазочно-охлаждающее технологическое средство (СОТС). В зависимости от условий технологического процесса, свойств материала инструмента и заготовок подачу СОТС в зону обработки осуществляют различными способами: свободно падающей струей, под давлением через сопловые насадки, в распыленном состоянии (в виде струи воздушно-жидкостной смеси). Эффективным является внутреннее охлаждение инструментов, работающих в условиях затрудненной отдачи теплоты во внешнюю среду. Применение системы охлаждения с подачей СОТС требует установки дополнительного оборудования.
Известен инструмент для выглаживания, у которого на корпус индентора с рабочей частью из природного алмаза дополнительно установлен радиатор (Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. - М.: Машиностроение, 1981, стр. 230, рис. 115).
Недостаток инструмента - большие габариты, которые затрудняют его использование в производственных условиях.
Известен выглаживающий инструмент с охлаждением индентора, состоящий из корпуса, индентора, надетой на индентор резиновой втулки, установленной в корпусе, пружины, резинового уплотнения, втулки. В корпусе выглаживающего инструмента установлена трубка для подачи СОТС в полости корпуса и индентора и далее в зону контакта с заготовкой через выполненные в инденторе сквозные отверстия, при этом рабочая часть индентора выполнена из материала с высокой теплопроводностью 200№600 Вт/М*°К (патент RU на полезную модель №129443).
Недостатком инструмента является существенное снижение коэффициента трения вследствие смазочного эффекта при попадании СОТС в контактную зону и уменьшение пластической деформации сдвига.
Наиболее близким является выглаживающий инструмент для наноструктурирования поверхностного слоя деталей, содержащий корпус с полостью, индентор с полостью, резиновую втулку, надетую на индентор, пружину и резиновое уплотнение, при этом он снабжен трубкой для подачи жидкого хладагента в полости корпуса и индентора, трубкой для отвода нагретого жидкого хладагента из инструмента, втулкой, ввинченной в корпус, и нажимной вилкой, регулирующей сжатие пружины. Индентор с резиновой втулкой и пружина установлены во втулку, ввинченную в корпус, а рабочая часть индентора выполнена из материала с теплопроводностью более 400 Вт/М*°К (патент RU на полезную модель №13171.
В процессе наноструктурирующей обработки поверхности инструментом с наконечником индентора из материала с высокой теплопроводностью более 400 Вт/М*°К обеспечивающим коэффициент трения f=0,3…0,35, например поликристаллического кубического нитрида бора, (Твердость и прочность высокочистых поликристаллических материалов кубического нитрида бора. Петруша И.А., Смирнова Т.И., Осипов А.С., Стратийчук Д.А., Шишонок Н.А.), охлаждение индентора обеспечивает снижение предельного значения температуры рабочей части индентора до уровня Q≤120°С.
Недостатком выглаживающего инструмента является недостаточная производительность обработки и износ рабочей части индентора, так как порог снижения температуры индентора обусловлен относительно высокой температурой СОТС.
Для повышения производительности обработки и снижения изнашивания рабочей части инструмента путем обеспечения интенсификации конвективного теплообмена между индентором и охлажденным жидким теплоносителем за счет существенного снижения температуры теплоносителя в полости инструмента, предлагается выглаживающий инструмент с модулем охлаждения, содержащий корпус, в который ввинчена втулка с установленными в ней индентором с резиновой втулкой, пружиной и резиновым уплотнением, в корпусе выглаживателя установлена трубка для подачи теплоносителя в полость индентора. Трубки подачи охлажденного жидкого теплоносителя и отвода нагретого жидкого теплоносителя через штуцеры соединены с модулем охлаждения, состоящим из насоса, подающего охлажденный жидкий теплоноситель, двух теплообменников и термоэлектрических преобразователей, расположенных между теплообменниками и скрепленных между собой, причем трубка для подачи охлажденного жидкого теплоносителя и трубка для отвода нагретого жидкого теплоносителя, соединены с первым теплообменником, а второй теплообменник соединен с системой подачи СОТС станка.
В предлагаемом выглаживающем инструменте новые конструктивные признаки позволяют снизить температуру рабочей части индентора до температуры 0°C и ниже за счет подачи в полость индентора охлажденного теплоносителя, повысить производительность наноструктурирования поверхностного слоя деталей.
На фиг. 1 изображен выглаживающий инструмент в разрезе. На фиг. 2 изображен общий вид выглаживающего инструмента с модулем охлаждения. Выглаживающий инструмент с модулем охлаждения содержит корпус 1, в который ввинчена втулка 2 с установленными в ней индентором 3 с надетой не него резиновой втулкой 4 и пружиной 5, резиновое уплотнение 6. Выглаживающий инструмент содержит трубку 7 для подвода жидкого теплоносителя к индентору 3. К корпусу 1 крепятся штуцеры 8 и 9. Трубка для подвода жидкого теплоносителя 7 через штуцер 8 и трубку 10 соединена с модулем охлаждения 11. Отвод нагретого жидкого теплоносителя производится через штуцер 9 по трубке 12 в модуль охлаждения 11, состоящий из насоса 13, двух теплообменников 14 и 15 и двух термоэлектрических преобразователей 16, расположенных между теплообменниками и скрепленных между собой (например болтами 17). Причем трубка 10 для подачи охлажденного теплоносителя, соединенная с насосом 13 и трубка для отвода жидкого теплоносителя 12 соединены с первым теплообменником 14, а ко второму теплообменнику 15 подсоединены трубка 20 для подачи СОТС из станочной системы и трубка 21 отвода СОТС.
Компоновка модуля охлаждения может быть изменена в соответствии с конкретным расходом жидкого теплоносителя, давлением и тепловым режимом.
Термоэлектрические преобразователи (элементы Пельтье) подбирают по условию мощности теплоотвода, превышающей мощность тепловыделения процесса выглаживания на величину тепловых потерь в инструменте. Установка термоэлектрических преобразователей позволяет снизить температуру жидкого теплоносителя до температуры минус 30 С.
Для обеспечения оптимального уровня температуры индентора количество термоэлектрических преобразователей и площадь поверхности теплообменника определяют по известным формулам в соответствии с тепловой мощностью процесса, соответствующей скоростному режиму обработки и параметрам фрикционно-силового нагружения. Теплообменник рассчитывают исходя из выбранной мощности элементов Пельтье.
выгл.
Работает выглаживающий инструмент следующим образом. Втулкой 2 устанавливают необходимое сжатие пружины 5 в соответствии с заданной силой выглаживания Р=340 Н и фиксируют втулку 2 в корпусе 1. Инструмент закрепляют в токарно-фрезерном центре, подводят к заготовке и сообщают инструменту и заготовке движения в соответствии с заданными параметрами режимов выглаживания. Заготовку из цементованной стали 20Х, закаленной до HRC 59, обрабатывали на токарно-фрезерном центре MULTUS115-300 ВМ чистовым точением, затем проводили поверхностное пластическое деформирование инструментом с рабочей частью индентора, выполненной из кубического нитрида бора (коэффициент трения по цементованной стали при трении без смазки 0,34), имеющим сферическую форму заточки R=2 мм. Скорость выглаживания V=20 м/мин. Подача 5=0,04 мм/об. Количество рабочих ходов инструмента 3. Величина параметров процесса задавалась программой. По трубке 10 подавали жидкий теплоноситель (расход 0,5 л/мин.), который по трубке 7 заполняет полость индентора 3, полость корпуса 1, образуя турбулентный поток и охлаждая индентор. Через штуцер 9 по трубке 12 нагретый жидкий теплоноситель проходит через теплообменник 14, охлаждается и по трубке 10 возвращается в полость индентора. Через трубку 20 из системы подачи СОТС станка в теплообменник 15 поступает СОТС и по трубке 21 возвращается в систему подачи СОТС станка. В качестве жидкого теплоносителя используют низкозамерзающую жидкость (например смесь воды и спирта в пропорции 1:1). При наноструктурирующем выглаживании происходит интенсивное снижение температуры рабочей части инструмента за счет обтекания жидким теплоносителем, охлажденным в теплообменнике. Резиновая втулка 4 демпфирует колебания индентора.
a
В результате сформирована поверхность с размером нанокристаллов менее 50 нм и шероховатостью поверхности R=0,12 нм. Путевая стойкость инструмента по критерию шероховатости обработанной поверхности составляет более 12 км. Охлаждение рабочей части индентора позволит снизить износ инструмента и повысить производительность процесса наноструктурирования поверхностного слоя деталей.