Результат интеллектуальной деятельности: Способ поверхностного пластического деформирования

Изобретение относится к способам отделочно-упрочняющей обработки наружных поверхностей вращения, а именно к обработке маложестких деталей поверхностным пластическим деформированием (ППД) при использовании деформирующего инструмента с новой кинематикой рабочего движения, и предназначено для использования в различных отраслях металлообрабатывающей промышленности.

Наиболее эффективное деформационное упрочнение металлов может быть реализовано путем целенаправленных технологических воздействий на структуру металлов для увеличения плотности дислокаций и создания дислокационной субструктуры, увеличивающей сопротивление сдвига.

Таким образом, пути повышения прочностных свойств металлов заключаются в разработке упрочняющих технологий, обеспечивающих формирование такого структурного состояния материала, при котором максимально реализуются основные принципы дислокационной теории упрочнения. Интенсификация напряженного состояния может быть повышена, если будет усилено деформационное искажение зерен материала.

В практике поверхностного пластического деформирования известны и широко используют две схемы упрочняющей обработки: упрочнение по схеме качения рабочего инструмента и упрочнение по схеме скольжения. При этом заготовке сообщают вращательное движение относительно собственной продольной оси, а инструменту, оказывающему давление на поверхность обрабатываемой заготовки, сообщают продольную подачу. Упрочнение по схеме скольжения значительно реже используют на практике, так как трение скольжения по поверхности обрабатываемой заготовки вызывает выделение тепла в зоне контакта, что в свою очередь приводит к снижению величины формируемых сжимающих остаточных напряжений, а сам инструмент интенсивно изнашивается. Однако, если оценить эти две схемы упрочнения с точки зрения механики процесса и возможности деформационного искажения микроструктуры, то обработка по схеме скольжения должна быть более эффективной.

Известен способ вибровыглаживания (№216.013.99DA, 20.12.2015), включающий вращательное движение детали и продольное перемещение алмазного выглаживающего инструмента, внедренного в обрабатываемую поверхность. В процессе обработки выглаживающему инструменту сообщают одновременно возвратно-поступательное движение в основной кинематической плоскости обработки и вращательное движение вокруг своей оси.

Недостатком данного способа обработки является отсутствие стабильности качества поверхностного слоя обрабатываемой заготовки, так как происходит неравномерное давление деформирующего инструмента. Это существенно влияет на точность обработки и однородность физико-механических свойств по длине заготовки.

Известен способ отделочно-упрочняющей обработки наружных цилиндрических поверхностей выглаживанием (Пат. РФ №2385213, МКП В24В39/04), включающий вращение детали и сообщение продольной подачи двум инструментам различного радиуса, которые внедряют в обрабатываемую поверхность с различными усилиями, при этом инструменты располагают под углами 30°-40° к направлению их внедрения в обрабатываемую поверхность, один из которых внедряют в обрабатываемую поверхность в направлении, перпендикулярном оси вращения детали, второй инструмент располагают смещенным относительно оси вращения детали и относительно первого инструмента в направлении продольной подачи из условия обеспечения перекрытия следов внедрения упомянутых инструментов при обработке.

Недостатком такого способа обработки является сложность точной установки выглаживающих инструментов на станке, которая в свою очередь зависит от параметров и режимов обработки, существенно влияющие на точность обработки и качество поверхностного слоя деталей.

Задача заявляемого изобретения заключается в интенсификации напряженного состояния обработанной поверхности и расширении технологических возможностей при локальном поверхностном пластическом деформировании.

Технический результат заключается в увеличении напряженного состояния в очаге деформации за счет использования новой кинематики деформирующего инструмента, при котором усиливается искажение структуры материала поверхностного слоя.

Указанный технический результат достигается тем, что способ поверхностного пластического деформирования наружных поверхностей деталей машин, при котором заготовке сообщают вращательное движение относительно собственной оси, а рабочему инструменту, оказывающему давление на поверхность обрабатываемой заготовки и направленному под некоторым углом к направлению внедрения в обрабатываемую поверхность, сообщают продольную подачу, согласно изобретению, что деформирующий инструмент, имеющий стержневую форму со сферическим наконечником, совершает вращательное движение, которое образует пространственной конус, ось которого перпендикулярна поверхности, в которую внедряется деформирующий инструмент, причем ось деформирующего инструмента должна быть расположена под углом 0⁰ - 20⁰ относительно оси вращения.

Способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема обработки по предложенному способу для поверхностного пластического деформирования заготовки – вала, на фиг. 2 показана интенсивность напряженного состояния в очаге деформации при реализации предлагаемого способа.

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в том, что инструменту, имеющему стержневую форму со сферическим наконечником, сообщают вращательное движение, которое образует пространственной конус, ось которого перпендикулярна поверхности, в которую внедряется деформирующий инструмент.

Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «новизна».

Как видно из схемы обработки (фиг. 1) параметрами режима, определяющими кинематику процесса, являются: частота вращения заготовки (n_заг.), подача деформирующего инструмента (s_пр.), частота деформирующего инструмента (n_инст.). Заготовку 2 устанавливают на токарно-винторезном станке, закрепляют в трехкулачковом патроне 4, подпирают вращающимся центром задней бабки 3. Заготовке придают вращательное движение с частотой n_заг. об/мин. Инструменту 1, имеющему стержневую форму со сферическим наконечником одновременно сообщают продольную подачу s_пр., и вращательное движение n_инст.. Сущность расширения эффективности упрочнения в очаге деформации состоит в том, что процесс производится путем целенаправленных технологических воздействий на структуру металлов для увеличения плотности дислокаций и создания дислокационной субструктуры, увеличивающей сопротивление сдвигу.

На фиг. 3а показано статическое вдавливание шарового индентора на глубину 0,08 мм. Это самый простой способ внедрения индентора в поверхность тела. Чем глубже погружается индентор, тем большую деформацию претерпевает материал нагруженного тела и за счет роста дислокаций повышается прочности поверхностного слоя.

При вращении индентора (фиг. 3а) за счет дополнительных сил трения скольжения происходит более сложные деформационные процессы в поверхностных слоях, что приводит к росту напряженного состояния в очаге упругопластической деформации.

Внедрение инструмента с одновременным вращением, которое образует пространственной конус (фиг. 3в) приводит к «перемешиванию» структуры поверхностного слоя материала. В результате этого материал нагруженного тела находится в условиях сложного напряженного состояния и испытывает пластическую деформацию с накоплением большого числа искажений.

Таким образом, способ поверхностного пластического деформирования при использовании деформирующего инструмента с новой кинематикой рабочего движения обеспечивает значительное увеличение толщины упрочненного слоя с повышением интенсивности напряженного состояния в очаге деформации.