PL215071B1

PL215071B1 - Method for modifying the surface layer of the working surface of machine parts

Info

Publication number: PL215071B1
Application number: PL390067A
Authority: PL
Inventors: Stanislaw Ziólkiewicz; Bohdan Kiryluk
Original assignee: Inst Obrobki Plastycznej
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2013-10-31
Also published as: WO2011081541A1; PL390067A1; EP2519379A1

Abstract

The subject of the invention is a method for modification of top layers of working surfaces of machine parts, which is used for the treatment of top layers of working surfaces of machine parts, and especially for placement of coatings of micro- and nanometric solid greases in the unevenness of the surfaces of extrusion punches and on sliding guides of machine tools. Characterized in that the treated surface (5), in the zone of the ram, which is a hammer (2) with a ball-shaped working area, connected with a piezoelectric actuator (T), which is driven by a high frequency voltage generator with a frequency changeable within the range of 10 Hz to 1000 Hz and a relative movement of the hammer (2) in relation to the treated material (3) along the acting line within the range of 0.05 to 5.0 mm, is covered with a layer of foreign material (4), which becomes connected by adhesion with the top layer (5) of the modified surface under the pressure exerted by the hammer (2).

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób modyfikowania warstwy wierzchniej powierzchni roboczych części maszyn, mający zastosowanie do obróbki warstwy wierzchniej powierzchni roboczych części maszyn, a w szczególności do nakładanie powłok z cząstek mikro i nanometrycznych smarów stałych w nierówności powierzchni stempli do procesów wyciskania oraz na prowadnicach ślizgowych obrabiarek.The subject of the invention is a method of modifying the surface layer of the working surfaces of machine parts, applicable to the treatment of the surface layer of the working surfaces of machine parts, and in particular to the application of coatings of micro and nanometric solid lubricants in the surface irregularities of punches for extrusion processes and on machine tool slide guides.

Modyfikowanie warstwy wierzchniej polega na podawaniu cząstek materiału obcego w obszar uderzenia młoteczka co powoduje, że wraz z mikroodkształceniem plastycznym obrabianej warstwy wierzchniej następuje adhezyjne połączeniem tych cząstek z materiałem rodzimym obrabianego przedmiotu. Podawanie cząstek obcych materiałów odbywa się przez: nakładanie w postaci past, zanurzanie w zawiesinie, nacierania, podawania z zasobnika itd.Modification of the surface layer consists in feeding particles of foreign material to the area of the hammer impact, which causes that along with plastic micro-deformation of the treated surface layer, these particles are adhesively bonded with the base material of the workpiece. The feeding of particles of foreign materials is carried out by: pasting, dipping in a suspension, rubbing, feeding from a hopper, etc.

Obecnie do modyfikacji powierzchni cząstkami obcego materiału stosuje się obróbkę powierzchniową metodami dynamicznymi, takimi jak: śrutowanie, kulowanie i bębnowanie.Currently, surface treatment with particles of foreign material is performed using dynamic surface treatments, such as shot peening, shot peening and tumbling.

Metody dynamiczne bazują na probabilistycznym rozkładzie odcisków narzędzia roboczego w postaci kulek, śrucin etc, na powierzchni obrabianej co nie gwarantuje równomiernego mikroodkształcenia powierzchni i rozkładu odkształceń. Ponadto do obróbki tej konieczne jest wprowadzenie znacznie większej ilości cząstek materiału obcego niż ilość niezbędna do nałożenia na powierzchnię obrabianą. W efekcie procesy nie gwarantują równomiernego rozkładu cząstek obcych na powierzchni obrabianej. Nie stosuje się metody młoteczkowania do modyfikowania powierzchni cząstkami obcymi. Wynika to z: zasady napędu mechanicznego (układ krzywki napędzającej sprężynę) lub pneumatycznego (siłowniki pneumatyczne) powodującej stosunkowo duże odkształcenie warstwy wierzchniej i w efekcie dużą chropowatość powierzchni na poziomie Ra=20-10 μm i stosowania dodatkowej obróbki wykańczającej (szlifowanie), a także zbyt małej energii dostarczanej młoteczkowi w obecnych mechanicznych i pneumatycznych napędach nie pozwalającej wywołać odpowiedniego nacisku jednostkowego do połączenia adhezyjnego. Istota wynalazku, którym jest sposób modyfikowania warstwy wierzchniej powierzchni roboczych części maszyn poprzez młoteczkowanie oraz nanoszenie materiału obcego, polega na tym, że powierzchnię modyfikowaną, w strefie bijaka, którym jest młoteczek o kulistej powierzchni roboczej, połączony z siłownikiem piezoelektrycznym, którego napęd wywołuje generator częstotliwościowo - napięciowy o częstotliwości zmiennej w granicach od 10 Hz do 1000 Hz i przesuwie względnym młoteczka względem obrabianego materiału wzdłuż linii oddziaływania w zakresie od 0,05 do 5,0 mm, pokrywa się warstwą materiału obcego, który, pod wpływem nacisków młoteczka, wiąże się adhezyjnie z warstwą wierzchnią powierzchni modyfikowanej.Dynamic methods are based on the probabilistic distribution of impressions of the working tool in the form of balls, pellets, etc., on the treated surface, which does not guarantee uniform micro-deformation of the surface and the distribution of deformations. Moreover, for this treatment, it is necessary to introduce a much larger amount of foreign material particles than the amount necessary to be applied to the work surface. As a result, the processes do not guarantee uniform distribution of foreign particles on the treated surface. The hammering method is not used to modify the surface with foreign particles. It results from: the principle of mechanical drive (cam system driving the spring) or pneumatic drive (pneumatic actuators) causing a relatively large deformation of the surface layer and, as a result, high surface roughness at the level of Ra = 20-10 μm and the use of additional finishing (grinding), as well as too much low energy supplied to the hammer in the current mechanical and pneumatic drives, which does not allow to generate the appropriate unit pressure for the adhesive connection. The essence of the invention, which is the method of modifying the surface layer of the working surfaces of machine parts by hammering and applying foreign material, consists in the fact that the modified surface, in the hammer zone, which is a hammer with a spherical working surface, is connected to a piezoelectric actuator, which is driven by a generator with frequency - voltage with a variable frequency in the range from 10 Hz to 1000 Hz and the relative displacement of the hammer in relation to the processed material along the impact line in the range of 0.05 to 5.0 mm, it is covered with a layer of foreign material, which, under the influence of the hammer pressure, binds adhesively with the surface layer of the modified surface.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku możliwa jest kontrolowana modyfikacja warstwy wierzchniej powierzchni roboczych części maszyn podnoszących ich właściwości mechaniczne, strukturalne i trybologiczne oraz podwyższenie ich gładkości i dokładności, co w efekcie pozwoli na wydłużenie eksploatacji tych części i wpłynie korzystnie na środowisko naturalne.Thanks to the solution according to the invention, it is possible to modify the surface layer of the working surfaces of machine parts in a controlled manner, increasing their mechanical, structural and tribological properties, as well as increasing their smoothness and accuracy, which in turn will allow to extend the operation of these parts and have a positive impact on the natural environment.

W szczególności istnieje możliwość sterowania dynamiką uderzeń siłownika piezoelektrycznego, co pozwala na kontrolę wielkości energii młoteczka wywołującego mikroodkształcenia warstwy wierzchniej, gwarantując zgniot nieprzekraczający granicznych wartości odkształcenia plastycznego krystalitów. Istotna cechą rozwiązania jest równomierny rozkład cząstek obcych na powierzchni obrabianej wynikający z synchronizowanego ruch przedmiotu obrabianego (posuw) oraz narzędzia roboczego napędzanego siłownikiem PE kontrolowanego przez generator częstotliwości (częstotliwość uderzenia, wielkość dostarczonej energii). Synchronizacja ta pozwala na stałą odległość między odciskami oraz głębokość odcisku. Rozwiązanie takie gwarantuje równomierny rozkład odcisków na jednostce powierzchni wyrobu, co przekłada się na jednorodne rozmieszczenie cząstek obcych na powierzchni obrabianej.In particular, it is possible to control the dynamics of piezoelectric actuator strokes, which allows for the control of the amount of energy of the hammer causing micro-deformation of the surface layer, guaranteeing crushing not exceeding the limit values of plastic deformation of crystallites. An important feature of the solution is the uniform distribution of foreign particles on the work surface resulting from the synchronized movement of the workpiece (feed) and the working tool driven by a PE actuator controlled by a frequency generator (impact frequency, amount of energy supplied). This synchronization allows for a constant distance between the prints and the depth of the impression. This solution guarantees an even distribution of impressions on the surface unit of the product, which translates into a homogeneous distribution of foreign particles on the treated surface.

Dodatkowo, równomierne mikroodkształcenie na powierzchni wywołuje naprężenia ściskające w warstwie wierzchniej, a tym samym podniesienie własności mechanicznych (w tym wytrzymałości zmęczeniowej, twardości), własności trybologicznych (przez wzrost odporności na ścieranie) oraz geometrycznych (poprawa gładkości i dokładności wykonania).In addition, uniform micro-deformation on the surface causes compressive stresses in the surface layer, and thus increases mechanical properties (including fatigue strength, hardness), tribological properties (by increasing abrasion resistance) and geometric properties (improving smoothness and accuracy of execution).

Poza tym, w trakcie procesu młotkowania możliwe jest sterowanie wielkością odkształcenia lokalnego na powierzchni obrabianej, a tym samym możliwość sterowanie właściwościami mechanicznymi zróżnicowanymi na poszczególnych fragmentach obrabianej powierzchni.In addition, during the hammering process, it is possible to control the size of the local deformation on the treated surface, and thus it is possible to control the mechanical properties differentiated on individual parts of the treated surface.

Proponowane rozwiązanie jest stosunkowo proste do zastosowania w układach sterowania numerycznego.The proposed solution is relatively simple to apply in numerical control systems.

PL 215 071 B1PL 215 071 B1

Ważną zaleta proponowanego rozwiązania jest to, że ilość użytych cząstek materiału obcego potrzebnego do modyfikowania warstwy wierzchniej jest tylko nieznacznie większa od ilości niezbędnej do pokrycia powierzchni obrabianej. Ma to istotne znaczenie w przypadku materiałów drogich, lub nanomateriałów, których produkowane są nieznaczne ilości.An important advantage of the proposed solution is that the amount of used foreign material particles needed to modify the surface layer is only slightly greater than the amount necessary to cover the treated surface. This is important for expensive materials or nanomaterials that are produced in insignificant amounts.

Przedmiot wynalazku, w przykładowym, lecz nie wyczerpującym wykonaniu przedstawiono na poniższym przykładzie wykonania, gdzie dla lepszego uwidocznienia zilustrowano rysunkiem, na którym w schemacie uwidoczniono zespół do realizacji sposobu według wynalazku.The subject of the invention, in an exemplary but non-exhaustive embodiment, is presented in the following embodiment, which is illustrated with a drawing for the sake of clarity, in which the diagram shows an assembly for carrying out the method according to the invention.

Siłownik piezoelektryczny 1 zamocowany jest w stałej odległości od powierzchni obrabianej. Do końcówki siłownika piezoelektrycznego 1 zamocowany jest młoteczek 2 - narzędzie o zakończeniu kulistym oddziaływującym na powierzchnie obrabianą. Napęd siłownika piezoelektrycznego 1 odbywa się przez generator częstotliwościowo - napięciowy nadający ruch posuwisto-zwrotny o zadanej częstotliwości i charakterystyki krzywej wymuszenia. Parametry te pozwalają na sterowanie energią uderzenia młoteczka o powierzchnię obrabianą. Przedmiot obrabiany 3 przemieszcza się w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu młoteczka 2. Na skutek uderzenia młoteczka 2 następuje odkształcenie warstwy wierzchniej materiału obrabianego 3. Jednocześnie cząstki materiału obcego 4, stosowanego do modyfikowania warstwy wierzchniej 5, podlegają wysokiemu naciskowi lokalnemu wytworzonemu pomiędzy końcówka młoteczka 2 i warstwą wierzchnią materiału obrabianego 3, co wywołuje odkształcenie cząstek materiału obcego i wiązania adhezyjne cząstki z powierzchnią warstwy wierzchniej 5.Piezoelectric actuator 1 is mounted at a constant distance from the work surface. A hammer 2 is attached to the tip of the piezoelectric actuator 1 - a tool with a spherical end acting on the machined surface. The drive of the piezoelectric actuator 1 is carried out by a frequency-voltage generator that gives a reciprocating motion with a given frequency and characteristics of the excitation curve. These parameters allow you to control the energy of the hammer hitting the work surface. The workpiece 3 moves in a direction perpendicular to the direction of movement of the hammer 2. Due to the impact of the hammer 2, the surface layer of the workpiece 3 is deformed. surface layer of the processed material 3, which causes deformation of the foreign material particles and adhesive bonds of the particle with the surface of the surface layer 5.

Modyfikowanie warstwy wierzchniej 5 roboczych części maszyn poprzez młoteczkowanie oraz nanoszenie materiału obcego, sposobem według wynalazku, realizuje się poprzez pokrycie warstwy wierzchniej 5 obrabianego elementu 3 warstwą materiału obcego 4, który, pod wpływem nacisków młoteczka 2, wiąże się adhezyjnie z warstwą wierzchnią 5 powierzchni modyfikowanej. Młoteczek 2 o kulistej powierzchni roboczej napędzany jest przez generator częstotliwościowo - napięciowy 1 o częstotliwości zmiennej w granicach od 10 Hz do 1000 Hz, przy czym młoteczek 2 przesuwa się względem obrabianego materiału wzdłuż linii oddziaływania w zakresie od 0,05 do 5,0 mm,Modification of the surface layer 5 of the working parts of machines by hammering and applying foreign material, with the method according to the invention, is carried out by covering the surface layer 5 of the workpiece 3 with a layer of foreign material 4, which, under the pressure of the hammer 2, adhesively bonds with the surface layer 5 of the modified surface . Hammer 2 with a spherical working surface is driven by a frequency-voltage generator 1 with a variable frequency in the range from 10 Hz to 1000 Hz, the hammer 2 moves in relation to the processed material along the line of influence in the range from 0.05 to 5.0 mm,

Wstępnie sprężony materiał o właściwościach piezoelektrycznych, poddany działaniu prądu elektrycznego, wydłuża się proporcjonalnie do wielkości przyłączonego napięcia. Szybkość wydłużenia zależy wprost od szybkości wzrastania napięcia. Można w ten sposób uzyskiwać przyspieszenie wielkości tysięcy „g”. Jest to cecha, która została wykorzystana w zastosowaniach dynamicznych, takich jak opisano w wynalazku.Pre-compressed piezoelectric material, when exposed to an electric current, elongates in proportion to the applied voltage. The rate of elongation directly depends on the speed of voltage increase. Acceleration of thousands of "g" can be obtained in this way. This is a feature that has been used in dynamic applications such as those described in the invention.

Częstotliwość i siła uderzeń bijaka przymocowanego do piezoelementu zależy od napięcia, natężenia i częstotliwości prądu oraz od bezwładności układu mechanicznego bijaka. Sterowanie tymi parametrami umożliwia dostosowanie charakteru uderzeń do wymagań procesu.The frequency and force of the impact of the ram attached to the piezoelement depends on the voltage, intensity and frequency of the current as well as on the inertia of the ram's mechanical system. Controlling these parameters makes it possible to adjust the nature of the impacts to the process requirements.

Claims

The method of modifying the surface layer of the working surfaces of machine parts by hammering and applying foreign material, characterized in that the modified surface (5), in the area of the hammer, which is a hammer (2) with a spherical working surface, connected with a piezoelectric actuator (1), which is driven by a frequency-voltage generator with a variable frequency within the range from 10 Hz to 1000 Hz and a relative displacement of the hammer (2) in relation to the processed material (3) along the impact line in the range of 0.05 to 5.0 mm, is covered with a layer of foreign material (4 ), which, under the pressure of the hammer (2), adhesively bonds with the top layer (5) of the modified surface.