RU2296664C1 - Process for electric static-pulse treatment - Google Patents

Abstract

FIELD: manufacturing processes in machine engineering, namely methods for combination finishing-strengthening treatment of steel parts, alloy parts by means of electric thermal surface plastic deforming at static-pulse loading of tool.

SUBSTANCE: process comprises steps of loading tool normally to treated surface with static load and cyclic pulse load; using tool having striker and wave-guide ( both are in the form of rods of the same diameters) and deforming roller secured to free end of wave-guide; supplying electric current from low voltage source to deforming tool and to blank by means of electric current supply roller; applying to electric current supply roller static load having opposite sign and value equal to that of said static load applied to deforming tool. Electric current supply roller is mounted opposite relative to deforming roller.

EFFECT: enlarged manufacturing possibilities, improved quality of treated surface, enhanced efficiency of treatment.

2 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к технологии машиностроения, в частности к способам комбинированной отделочно-упрочняющей обработки заготовок из сталей и сплавов электрическим термическим поверхностным пластическим деформированием со статико-импульсным нагружением инструмента.The invention relates to mechanical engineering technology, in particular to methods of combined finishing and hardening of workpieces made of steels and alloys by electric thermal surface plastic deformation with static-pulse loading of the tool.

Известен способ чистовой и упрочняющей обработки деталей обкатыванием [1], при котором сообщают движения подачи и скорости обработки инструменту и заготовке, контактирующим под приложенной к инструменту нормально к обрабатываемой поверхности постоянной статической нагрузкой в диапазоне усилий, обеспечивающих достижение заданной шероховатости, и периодической импульсной нагрузкой, изменяющейся в установленном диапазоне от минимального до максимального значения. При этом частоту пульсации нагрузки выбирают в зависимости от требуемой глубины наклепа.A known method of finishing and hardening of parts by rolling [1], in which the feed motion and the processing speed of the tool and the workpiece are contacted under normal static load applied to the surface normally applied to the work surface in the range of forces ensuring the achievement of a given roughness and periodic impulse load, varying in the established range from minimum to maximum value. The frequency of the ripple load is selected depending on the required depth of hardening.

Способ отличается низким КПД, большой энергоемкостью, недостаточно большой глубиной упрочненного слоя и недостаточно высокой степенью упрочнения обрабатываемой поверхности.The method is characterized by low efficiency, high energy intensity, insufficiently large depth of the hardened layer and insufficiently high degree of hardening of the treated surface.

Известен способ статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием, осуществляемым инструментом, к которому нормально к обрабатываемой поверхности прикладывают постоянную статическую нагрузку и перпендикулярную импульсную нагрузку, которая сообщается посредством бойка и волновода, а форму, амплитуду, эффективную длительность и частоту единичных импульсов силы деформирования определяют по приведенным формулам [2].A known method of static-pulse treatment by surface plastic deformation, carried out by a tool, to which a constant static load and a perpendicular pulse load, which is communicated by means of a striker and a waveguide, are normally applied to the surface to be treated, and the shape, amplitude, effective duration and frequency of single pulses of the deformation force are determined by the given formulas [2].

Известный способ отличается ограниченными технологическими возможностями управления в создании гетерогенных упрочненных слоев и регулярного микрорельефа обрабатываемой поверхности.The known method is characterized by limited technological control capabilities in creating heterogeneous hardened layers and regular microrelief of the treated surface.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей за счет совмещения электрического термического воздействия со статико-импульсной обработкой поверхностным пластическим деформированием, позволяющее управлять глубиной упрочненного слоя и микрорельефом поверхности, а также повышение качества обрабатываемой поверхности и производительности обработки.The objective of the invention is the expansion of technological capabilities by combining electrical thermal effects with static-pulse treatment by surface plastic deformation, which allows you to control the depth of the hardened layer and the surface microrelief, as well as improving the quality of the processed surface and processing performance.

Поставленная задача решается предлагаемым способом поверхностного пластического деформирования, включающий приложение к инструменту в виде бойка и волновода, выполненных в виде стержней одинакового диаметра, и закрепленного на свободном конце волновода деформирующего инструмента нормально к обрабатываемой поверхности заготовки статической нагрузки и периодической импульсной нагрузки, причем осуществляют подвод электрического тока от низковольтного источника к деформирующему инструменту и заготовке посредством токопроводящего ролика, к которому прикладывают статическую нагрузку, равную по величине и противоположную по направлению упомянутой статической нагрузке, приложенной к деформирующему инструменту, при этом используют деформирующий инструмент в виде деформирующего ролика с наружный диметром D и радиусом закругления его рабочей поверхности r, причем упомянутый наружный диметр D выбирают из соотношения 2r≥D/2≥r, а токопроводящий ролик располагают диаметрально противоположно относительно деформирующего ролика.The problem is solved by the proposed method of surface plastic deformation, including application to the tool in the form of a striker and a waveguide, made in the form of rods of the same diameter, and fixed at the free end of the waveguide of the deforming tool normally to the workpiece surface of the workpiece of a static load and periodic pulsed load, and the electrical current from a low-voltage source to a deforming tool and a workpiece by means of a conductive a roller to which a static load is applied, equal in magnitude and opposite in direction to the said static load applied to the deforming tool, using a deforming tool in the form of a deforming roller with an outer diameter D and a radius of curvature of its working surface r, said outer diameter d selected from the ratio 2r≥D / 2≥r, and the conductive roller is diametrically opposed to the deformation roller.

Особенности способа поясняются чертежами.Features of the method are illustrated by drawings.

На фиг.1 представлена схема обработки по предлагаемому способу поверхностного пластического деформирования с электрическим термическим воздействием на примере заготовки - вала, установленного в патроне и заднем центре на токарном станке; на фиг.2 - поперечное сечение А-А на фиг.1.Figure 1 presents the processing scheme for the proposed method of surface plastic deformation with electrical thermal stress on the example of a workpiece - a shaft mounted in a chuck and a rear center on a lathe; figure 2 is a cross section aa in figure 1.

Предлагаемый способ предназначен для поверхностного пластического деформирования с использованием постоянной статической и периодической импульсной нагрузки на инструмент и электрическим термическим воздействием на обрабатываемую поверхность.The proposed method is intended for surface plastic deformation using a constant static and periodic pulsed load on the tool and electrical thermal impact on the treated surface.

Заготовку 1, например вал, устанавливают в патроне 2 и поджимают центром 3 задней бабки токарного станка, а деформирующее устройство 4, оснащенное механизмами статического и импульсного нагружения инструмента, - в резцедержателе станка 5 (фиг.1). В качестве механизма статического и импульсного нагружения инструмента применяется гидравлический генератор импульсов [3, 4].The blank 1, for example, the shaft, is installed in the chuck 2 and is pressed by the center 3 of the tailstock of the lathe, and the deforming device 4, equipped with mechanisms of static and pulse loading of the tool, is in the tool holder of the machine 5 (Fig. 1). As a mechanism of static and pulse loading of the tool, a hydraulic pulse generator is used [3, 4].

Деформирующее устройство 4 инструмента выполнено в виде деформирующего ролика диметром D и радиусом закругления рабочей поверхности r, соотношение размеров которого определено по формулеThe deforming device 4 of the tool is made in the form of a deforming roller with a diameter D and a radius of curvature of the working surface r, the aspect ratio of which is determined by the formula

2r≥D/2≥r,2r≥D / 2≥r,

где D - наружный диметр деформирующего ролика, мм;where D is the outer diameter of the deforming roller, mm;

r - радиус закругления рабочей поверхности деформирующего ролика, мм.r is the radius of curvature of the working surface of the deforming roller, mm

Инструменту сообщают движение подачи S_пр, а заготовке - вращение с частотой скорости обработки V₃ и вводят их в контакт. В направлении нормали к обрабатываемой поверхности к деформирующему инструменту прикладывают постоянную статическую Р_ст и периодическую импульсную Р_им нагрузку.The tool informs the feed movement S _CR , and the workpiece - rotation with a frequency of the processing speed V ₃ and enter them into contact. In the direction of the normal to the surface being machined, a constant static P _st and a periodic pulsed load P _are applied to the deforming tool.

Статическое нагружение Р_ст осуществляется посредством пружины 6, смонтированной на волноводе 7. Величина статической силы деформирования выбирается наибольшей из обеспечивающих упругие контактные деформации обрабатываемого материала.Static loading P _{st is} carried out by means of a spring 6 mounted on the waveguide 7. The value of the static deformation force is selected as the largest of those providing elastic contact deformation of the processed material.

Импульсное нагружение Р_им осуществляется посредством удара бойка 8 по торцу волновода 7, являющегося инструментом.Pulse loading P _{them is} carried out by hitting the striker 8 at the end of the waveguide 7, which is an instrument.

К деформирующему инструменту 4 и обрабатываемой заготовке 1 подводится электрический ток от низковольтного источника 9 большой мощности с целью дополнительного термического воздействия на обрабатываемую поверхность. Электрический ток технологического напряжения подведен к заготовке 1 через токопроводящий ролик 10, к которому приложена равная по величине Р_ст и противоположно направленная сила статического воздействия на заготовку деформирующим инструментом, при этом токопроводящий ролик 10 установлен диаметрально противоположно к деформирующему инструменту 4.An electric current is supplied to the deforming tool 4 and the workpiece 1 from a low-voltage source 9 of high power with the aim of additional thermal action on the surface being treated. An electric current of the process voltage is supplied to the workpiece 1 through a conductive roller 10, to which is applied an equal in magnitude P _article and an oppositely directed static force on the workpiece by a deforming tool, while the conductive roller 10 is installed diametrically opposite to the deforming tool 4.

Кроме того, токопроводящий ролик 10 выполняет роль подвижного люнета, применяемого при обработке нежестких и тяжелых валов и для уравновешивания односторонне действующей деформирующей силы Р_ст.In addition, the conductive roller 10 acts as a movable lunette, used in the processing of non-rigid and heavy shafts and to balance the unilaterally acting deforming force P _Art .

Деформирующий инструмент в виде сферической поверхности (см. прототипы [1, 2]) имеет существенный недостаток: деформирующий элемент находится под действием технологического напряжения от низковольтного источника большой мощности, и поэтому из-за микроэлектроэрозионных явлений в зоне обработки происходит износ деформирующего инструмента и ухудшается качество обработки. Конструкция предлагаемого деформирующего ролика 4, шарнирно закрепленного на волноводе 7, лишена такого недостатка.A deforming tool in the form of a spherical surface (see prototypes [1, 2]) has a significant drawback: the deforming element is under the influence of technological voltage from a low-voltage source of high power, and therefore, due to microelectroerosive phenomena in the processing zone, the deforming tool is worn and quality deteriorates processing. The design of the proposed deforming roller 4, pivotally mounted on the waveguide 7, is devoid of such a disadvantage.

В результате удара бойка 8 по торцу волновода 7 в бойке и волноводе возникают ударные и противоположно направленные импульсы одинаковой амплитуды и продолжительности, каждый из которых будет воздействовать на обрабатываемую поверхность с цикличностью, равной двойной продолжительности импульсов. Дойдя до обрабатываемой поверхности, ударный импульс распределяется на проходящий и отражающий. Проходящий импульс формирует динамическую составляющую силы деформации.As a result of the impact of the striker 8 at the end of the waveguide 7, shock and oppositely directed pulses of the same amplitude and duration arise in the striker and the waveguide, each of which will affect the surface being treated with a cycle equal to double the duration of the pulses. Having reached the surface to be treated, the shock pulse is distributed on the passing and reflecting. The passing pulse forms the dynamic component of the strain force.

При прохождении через зону обработки тока от низковольтного источника большой мощности возникает локальный нагрев обрабатываемого материала, снижаются его твердость и прочность, возрастает предрасположенность материала заготовки к получению последующего технологического воздействия.When passing through the processing zone of the current from a low-voltage source of high power, local heating of the processed material occurs, its hardness and strength decrease, the predisposition of the workpiece material to receive the subsequent technological impact increases.

В результате статического и импульсного давления и рабочего продольного перемещения деформирующего ролика обеспечиваются пластическое деформирование поверхности заготовки и сглаживание микронеровностей.As a result of static and impulse pressure and working longitudinal movement of the deforming roller, plastic deformation of the workpiece surface and smoothing of microroughness are provided.

Глубина упрочненного слоя обработанного предлагаемым устройством достигает 2...3 мм, что значительно (в 3...4 раза) больше, чем при традиционном статическом упрочнении. Наибольшая степень упрочнения составляет 15...30%. В результате электростатико-импульсной обработки предлагаемым способом по сравнению с традиционным накатыванием эффективная глубина слоя, упрочненного на 20% и более, возрастает в 2...3 раза, а глубина слоя, упрочненного на 10% и более, - в 2...2,5 раза.The depth of the hardened layer processed by the proposed device reaches 2 ... 3 mm, which is significantly (3 ... 4 times) more than with traditional static hardening. The greatest degree of hardening is 15 ... 30%. As a result of electrostatic-pulse processing by the proposed method, compared to traditional rolling, the effective depth of the layer hardened by 20% or more increases by 2 ... 3 times, and the depth of the layer hardened by 10% or more, by 2 ... 2.5 times.

Пример. Для оценки параметров качества поверхностного слоя, упрочненного предлагаемым способом, проведены экспериментальные исследования обработки вала на токарном станке с использованием специального стенда. Значения технологических факторов (частоты ударов, радиус ролика инструмента, величина подачи) выбирались таким образом, чтобы обеспечить кратность ударного воздействия на элементарную площадку обрабатываемой поверхности в диапазоне 6...10. Дальнейшее увеличение кратности деформирующего воздействия ведет к разупрочнению. Сила тока 0,3...1,0 кА, скорость обработки 0,2...2 м/с, продольная подача инструмента 0,2...0,3 мм/об.Example. To assess the quality parameters of the surface layer hardened by the proposed method, experimental studies of the shaft processing on a lathe using a special bench were carried out. The values of technological factors (impact frequency, tool roller radius, feed rate) were selected in such a way as to ensure the multiplicity of impact on the elementary area of the treated surface in the range of 6 ... 10. A further increase in the multiplicity of the deforming effect leads to softening. Current strength 0.3 ... 1.0 kA, processing speed 0.2 ... 2 m / s, longitudinal feed of the tool 0.2 ... 0.3 mm / rev.

Величина силы статического поджатия инструмента к обрабатываемой поверхности составляла Р_ст≥25...40 кН; Р_им=255...400 кН. Заготовки из стали 40Х; исходная твердость «сырых» образцов - HV 270...280. Глубина упрочненного электростатико-импульсной обработкой слоя в 3...4 раза выше, чем при традиционном обкатывании. Упрочненный слой при традиционном статическом обкатывании формируется в условиях длительного действия больших статических усилий. Предлагаемым способом аналогичная глубина упрочненного слоя достигается в результате кратковременного воздействия на очаг деформации пролонгированного импульса энергии. При близких степенях упрочнения поверхностного слоя величина статической составляющей нагрузки предлагаемым способом значительно меньше.The value of the force of static preloading of the tool to the work surface was P _article ≥25 ... 40 kN; P _them = 255 ... 400 kN. Billets made of steel 40X; initial hardness of “raw” samples is HV 270 ... 280. The depth of the hardened layer by electrostatic-pulse processing is 3 ... 4 times higher than with traditional rolling. The hardened layer in the traditional static rolling is formed under the long-term action of large static forces. The proposed method, a similar depth of the hardened layer is achieved as a result of a short-term impact on the deformation zone of a prolonged energy pulse. At close degrees of hardening of the surface layer, the magnitude of the static component of the load by the proposed method is much smaller.

Исследования напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя электростатико-импульсной обработкой показали, что максимальные остаточные напряжения находятся близко к поверхности, как при чеканке, что благоприятно для большинства сопрягаемых деталей механизмов и машин. Сравнение глубины напряженного и упрочненного слоя, градиента напряжений и градиента наклепа показывает, что глубина напряженного слоя в 1,1...1,3 раза больше, чем глубина наклепанного слоя, что согласуется с теорией поверхностного - пластического деформирования.Studies of the stress state of the hardened surface layer by electrostatic-pulse treatment showed that the maximum residual stresses are close to the surface, as when chasing, which is favorable for most of the interfaced parts of mechanisms and machines. A comparison of the depth of the stressed and hardened layer, the stress gradient and the hardening gradient shows that the depth of the stressed layer is 1.1 ... 1.3 times greater than the depth of the riveted layer, which is consistent with the theory of surface - plastic deformation.

Достигаемая в процессе обработки предлагаемым способом предельная величина шероховатости составляет R_a=0,08 мкм, возможно снижение исходной шероховатости в 6 раз благодаря локальному нагреву обрабатываемого материала, снижающего его твердость и прочность.The ultimate roughness value achieved during processing by the proposed method is R _a = 0.08 μm, it is possible to reduce the initial roughness by 6 times due to local heating of the processed material, which reduces its hardness and strength.

Микровибрации в процессе благоприятно сказываются на условиях работы инструмента. Наложение малого по амплитуде колебательного движения приводит к более равномерному распределению нагрузки на инструмент, вызывает дополнительные циклические перемещения контактных поверхностей инструмента и заготовки, облегчает формирование упрочняемой поверхности. Колебания способствуют лучшему проникновению смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в зону обработки. При наложении колебаний деформирующая поверхность инструмента периодически «отдыхает», что способствует увеличению ее стойкости. Обработка в условиях колебаний резко увеличивает эффективность охлаждающего, диспергирующего и пластифицирующего действия СОЖ вследствие облегчения ее доступа в зону контакта инструмента и заготовки.Microvibrations in the process favorably affect the working conditions of the instrument. The imposition of a small amplitude oscillatory motion leads to a more uniform distribution of the load on the tool, causes additional cyclic movements of the contact surfaces of the tool and the workpiece, facilitates the formation of a hardened surface. Fluctuations contribute to a better penetration of the cutting fluid (coolant) into the treatment area. When vibration is applied, the deforming surface of the tool periodically “rests”, which helps to increase its resistance. Processing under vibration conditions dramatically increases the efficiency of the cooling, dispersing and plasticizing action of the coolant due to the facilitation of its access to the contact zone of the tool and the workpiece.

Источники информацииInformation sources

1. А.с. СССР, 456719, МКИ В24В 39/00. Способ чистовой и упрочняющей обработки деталей обкатыванием. 1974.1. A.S. USSR, 456719, MKI V24V 39/00. The method of finishing and hardening of parts by rolling. 1974.

2. Патент РФ 2098259, МКИ⁶ В24В 39/00. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Способ статикоимпульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. №96110476/02, 23.05.96; 10.12.97. Бюл. №34.2. RF patent 2098259, MKI ⁶ V24V 39/00. Lazutkin A.G., Kirichek A.V., Soloviev D.L. Method of static pulse treatment by surface plastic deformation. No. 96110476/02, 05.23.96; 12/10/97. Bull. Number 34.

3. Киричек А.В., Лазуткин А.Г., Соловьев Д.Л. Статико-импульсная обработка и оснастка для ее реализации // СТИН, 1999, №6. - С.20-24.3. Kirichek A.V., Lazutkin A.G., Soloviev D.L. Static-pulse processing and equipment for its implementation // STIN, 1999, No. 6. - S.20-24.

4. Патент РФ 2090342. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Гидроударное устройство для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. 1997. Бюл. №34.4. RF patent 2090342. Lazutkin A.G., Kirichek A.V., Soloviev D.L. Water hammer device for processing parts by surface plastic deformation. 1997. Bull. Number 34.

Claims (1)

Способ поверхностного пластического деформирования, включающий приложение к инструменту в виде бойка и волновода, выполненных в виде стержней одинакового диаметра, и закрепленного на свободном конце волновода деформирующего инструмента нормально к обрабатываемой поверхности заготовки статической нагрузки и периодической импульсной нагрузки, отличающийся тем, что осуществляют подвод электрического тока от низковольтного источника к деформирующему инструменту и заготовке посредством токоподводящего ролика, к которому прикладывают статическую нагрузку, равную по величине и противоположную по направлению упомянутой статической нагрузке, приложенной к деформирующему инструменту, при этом используют деформирующий инструмент в виде деформирующего ролика с наружным диаметром D и радиусом закругления его рабочей поверхности r, причем упомянутый наружный диаметр D выбирают из соотношения 2r≥D/2≥r, а токоподводящий ролик располагают диаметрально противоположно относительно деформирующего ролика.The method of surface plastic deformation, comprising applying to the tool in the form of a striker and a waveguide made in the form of rods of the same diameter and fixed at the free end of the waveguide of the deforming tool normally to the workpiece surface of a static load and a periodic pulsed load, characterized in that the electric current is supplied from a low-voltage source to a deforming tool and a workpiece by means of a current-supplying roller to which I apply t is a static load equal in magnitude and opposite in direction to the said static load applied to the deforming tool, using a deforming tool in the form of a deforming roller with an outer diameter D and a radius of curvature of its working surface r, and the said outer diameter D is selected from the ratio 2r ≥D / 2≥r, and the current-carrying roller is diametrically opposed to the deforming roller.

Images