Инструмент для фрикционно-электрической обработки поверхностей трения

Полезная модель относится к технологии машиностроения, в частности к производству инструментов, и может быть использована для поверхностного упрочнения рабочих поверхностей трения, подверженных интенсивному износу, металлических деталей трибоузлов.
Известен инструмент для фрикционного поверхностного упрочнения деталей машин, содержащий корпус в виде диска из материала с низким коэффициентом теплопроводности и с рабочей поверхностью на его периферии, при этом инструмент снабжен пальцами, выполненными из материала с коэффициентом теплопроводности выше, чем у материала диска, и расположенными в радиальных отверстиях, выполненных на рабочей поверхности диска, причем диаметр пальцев берут в 1,2…2 раза больше ширины рабочей поверхности диска [1].
Недостатками известного инструмента являются удары и вибрации, быстрый износ пальцев, сложность конструкции инструмента (наличие дюралюминиевого корпуса в виде ступицы, фланца, болтов и медных или латунных пальцев) при его низкой стойкости требует значительных первоначальных и последующих затрат при эксплуатации, что повышает себестоимость обработки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к полезной модели является устройство для электро-фрикционной обработки [2] поверхностных слоев деталей из алюминиевых сплавов, содержащий: корпус, фланец, штангу, регулировочный винт, медный обод (кольцо), медный винт и тефлоновую изоляцию. Штанга и фланец сделаны из стали с азотирующим покрытием, с целью улучшения жесткости и износостойкости инструмента, при этом штырь (штанга) располагается на одной линии с нижней поверхностью фланца, регулировка осуществляется регулировочными винтами.
Недостатками данного устройства являются недостаточное повышение эксплуатационных свойств обрабатываемой поверхности, сложность конструкции устройства.
Задача полезной модели - повышение качества упрочненного слоя за счет увеличения его толщины, а также его физико-механических и триботехнических свойств за счет модифицирования поверхностного слоя дисперсными модификаторами.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого инструмента для фрикционно-электрической обработки поверхностей трения, содержащий корпус-державку, фланец-рабочий инструмент, изолирующую втулку, крепеж. В корпусе-державки и фланце-рабочем инструменте выполнено осевое отверстие для подачи модификатора. Рабочая поверхность фланца-рабочего инструмента выполнена по одному из вариантов и имеет канавки и гребни расположенные параллельно, при этом канавки соединены с отверстием для подачи модификатора.
2
3
Основным источником тепла в процессе ФЭО является тепло от трения инструмента об обрабатываемую поверхность, при этом тепло выделившееся в процессе прохождения электрического тока лишь способствует процессу модифицирования поверхностного слоя детали. При этом в процессе ФЭО осуществляется модифицирование поверхности твердыми частицами с образованием упрочняющей матрицы. Наибольший эффект при этом, позволяют получить твердые материалы типа SiC, AlO, а также углеродные нанотрубки, нанопорошки и наноалмазы.
Модифицирование поверхности вышеуказанными частицами позволяет увеличить поверхностную микротвердость, что связано с локальным деформированием, которое в свою очередь образует дислокационный барьер в процессе упрочнения, при этом пластичность основного металла остается практически без изменений, наблюдается увеличение износостойкости поверхностного слоя. ФЭО кроме того позволяет значительно увеличить и долговечность рабочего инструмента так как обработка поверхности осуществляется в присутствии теплоты, образованной проходящим через зону обработки электрического тока, способствующего повышению пластичности поверхностного слоя металла и снижению его механической прочности и сопротивления внедрения в поверхность армирующих ультрадисперсных твердых частиц модификатора.
На фиг. 1а изображен предлагаемый инструмент (продольный разрез), на фиг. 1б варианты изготовления торцовой поверхности рабочего инструмента, на фиг. 2 схема использования предлагаемого устройства.
Предлагаемый инструмент служит для фрикционно-электрического поверхностного упрочнения деталей машин, которое осуществляют на вертикально-фрезерных и др. станках.
Инструмент для фрикционно-электрической обработки поверхностей трения содержит фланец-рабочий инструмент - 1, корпус-державку 2, изолирующую втулку - 3, крепеж - 4.
-6
Корпус-державка изготавливается из инструментальной легированной стали, например, 4Х5МФ1С, фланец-рабочий инструмент из вольфрамо-кобальтового твердого сплава ВК-8. В державке и фланце-инструменте изготавливается осевой канал О (фиг. 1а) диаметром  через который в зону фрикционно-электрического контакта подается модификатор - смесь твердых частиц и поверхностно-активного вещества (ПАВ), в качестве твердых частиц используются частицы с размером до 40×10 м, в качестве поверхностно активного вещества может использоваться глицерин. В фланце-рабочем инструменте торцовой его части выполнены рабочие гребни - h и канавки -  (фиг. 1б). Через канавки  осуществляется подача твердых частиц в смеси с ПАВ непосредственно в зону фрикционно-электрического контакта гребней h торцовой поверхности фланца-инструмента и обрабатываемой поверхности - 10 (фиг. 2). Модификатор подается в зону фрикционно-электрического контакта в консистентном состоянии под давлением.
Работает инструмент для фрикционно-электрической обработки поверхностей трения следующим образом (фиг. 2): инструмент корпусом-державкой 2 устанавливается в патрон станка 9, при этом изоляция инструмента от станка осуществляется с помощью изолирующей втулки 3. К корпусу-державке 2 с помощью пружин 5 прижимаются меднографитовые скользящие контакты 7, пружины 5 и меднографитовые скользящие контакты располагаются в стаканах 6. Фланец-рабочий инструмент 1 крепится к корпусу-державке крепежом 4, представляющие собой винты. Электрический ток подается от источника тока - 8 через скользящие меднографитовые контакты - 7, через корпус-державку 2 на фланец-рабочий инструмент 1 и на обрабатываемую деталь 10, тем самым замыкая электрическую цепь с образованием Джоулева тепла в месте контакта фланца-рабочего инструмента, его гребней и обрабатываемой детали. Модификатор подается через отверстие О в канавки  и наносится на обрабатываемую поверхность за счет вращения инструмент для фрикционно-электрической обработки поверхностей трения, далее в процессе вращения и перемещения инструмента, осуществляется фрикционное термодеформационное воздействие на модификатор и обрабатываемую поверхность гребнями h торцовой поверхности фланца-инструмента, в результате чего происходит модифицирование обрабатываемой поверхности.
Экспериментальные исследования показали эффективность ЭФО с использованием инструмента для фрикционно-электрической обработки поверхностей трения, существенно увеличена глубина фрикционно-электрического термического воздействия. Армирующие частицы более равномерно распределяются в поверхностном слое. Верхние значения твердости поверхностного слоя в результате ФЭО лежат значительно выше нежели при обработке поверхностей по классическим технологиям, при этом повысилась износостойкость деталей.
Предлагаемый инструмент для фрикционно-электрической обработки поверхностей трения прост по конструкции и надежен в эксплуатации. Получаемые на поверхности упрочняемой заготовки структуры обладают повышенной твердостью, а соответственно, износостойкостью и сопротивлением усталостному разрушению. Инструмент позволяет повысить производительность обработки.
Источники информации:
1. А.с. СССР №1712135, МКИ В24В 39/04. Инструмент для фрикционного поверхностного упрочнения. В.И. Кырылив и Т.Н. Каличак. №4732876/27, заяв. 29.08.90, опуб. 15.02.92. Бюл. №6.
2. Telmo G. Santos, N. Lopes, Miguel Machado, Pedro Vilac, R.M. Miranda. Surface reinforcement of AA5083-H111 by friction stir processing assisted by electrical current // Journal of Materials Processing Technology. - 2015. - V. 216 (2015). - P. 375-380.