RU2095225C1

RU2095225C1 - Method of forming surface layer of part

Info

Publication number: RU2095225C1
Application number: RU95114179A
Authority: RU
Inventors: В.О. Курганович
Original assignee: Омский государственный технический университет
Priority date: 1995-08-08
Filing date: 1995-08-08
Publication date: 1997-11-10

Abstract

FIELD: plastic metal working. SUBSTANCE: surface is worked by a tool that vibrates at an ultrasonic frequency normal to the surface to be worked. The tool is also set in rotation about its longitudinal axis with an ultrasonic frequency. The amplitude and phase of the are the same as these of the normal oscillation. EFFECT: simplified method. 3 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для упрочняющей обработки путем ультразвукового выглаживания плоских и цилиндрических поверхностей трения деталей. The invention relates to mechanical engineering and can be used for hardening by ultrasonic smoothing of flat and cylindrical friction surfaces of parts.

Известно устройство (и реализуемый им способ) для упрочнения и нанесения твердосмазочного покрытия на поверхности деталей за счет воздействия на поверхность стальных шариков, получающих колебательные импульсы ультразвуковой частоты [1]
Известен способ формирования поверхностного слоя деталей цилиндрической и конической формы, при котором упрощение осуществляют концентратором - инструментом со сферическим наконечником, колеблющимся с ультразвуковой частотой. Этот же способ применяется и для нанесения на поверхности детали материала покрытия, который подается между поверхностями инструмента и детали [2]
Недостаток известных способов заключается в том, что они не позволяют получить максимальные остаточные направления сжатия на поверхностях упрочняемых деталей.A device is known (and the method it implements) for hardening and applying a solid lubricant coating on the surface of parts by exposing steel balls to the surface to receive vibrational pulses of ultrasonic frequency [1]
A known method of forming the surface layer of parts of cylindrical and conical shapes, in which the simplification is carried out by a hub - a tool with a spherical tip, oscillating with an ultrasonic frequency. The same method is also used to apply coating material on the surface of a part, which is fed between the surfaces of the tool and the part [2]
A disadvantage of the known methods is that they do not allow to obtain the maximum residual directions of compression on the surfaces of the hardened parts.

Качество покрытия также недостаточно ввиду того, что материал покрытия (графит, дисульфид молибдена, диселенид молибдена и др.) внедряется в поверхности трения только за счет нормальных ударных воздействий (ультразвуковых импульсов). Максимальная адгезия наблюдается непосредственно в точке удара инструмента (шарика или сферы наконечник), в то время как периферии воздействия (по краям сферической лунки) возможно вытеснение и даже отслоение материала твердой смазки. В результате покрытие получается качественно неоднородным и недостаточно износостойким, так как часть смазывающего материала практически не закрепилась на поверхности трения. The quality of the coating is also insufficient due to the fact that the coating material (graphite, molybdenum disulfide, molybdenum dislenide, etc.) is introduced into the friction surface only due to normal shock effects (ultrasonic pulses). The maximum adhesion is observed directly at the point of impact of the tool (ball or sphere tip), while the periphery of the impact (along the edges of the spherical hole) may displace and even exfoliate the solid lubricant material. As a result, the coating turns out to be qualitatively heterogeneous and not sufficiently wear-resistant, since a part of the lubricant was practically not fixed on the friction surface.

При упрощении сферическим инструментом, жестко закрепленным на конце ультразвукового концентрата, наблюдается интенсивный нагрев сферы до высоких температур, в результате чего возможно даже разрушение инструмента. Это заставляет перемывать процесс упрочнения или резко снизить режим (подачу инструмента вдоль оси, скорость вращения детали). Указанные явления вызваны тем, что при скольжении сферы инструмента по упрочняемой поверхности силы трения изменяется скачками и колеблется в широком диапазоне. Это приводит к появлению фрикционных автоколебаний инструмента, к неплавности движения инструмента и как следствие к снижению качества обработки. В том случае, когда наряду с упрочнением имеет место нанесение твердой смазки удается снизить коэффициент трения скольжения и уменьшить автоколебания. Но полностью ликвидировать их не удается, а нагрев инструмента выше 400^oC приведет к разложению материала твердой смазки (дисульфида и деселенида молибдена) и снижению качества покрытия.When simplified by a spherical tool rigidly fixed at the end of the ultrasonic concentrate, intense heating of the sphere to high temperatures is observed, as a result of which even the destruction of the tool is possible. This forces the hardening process to be washed or the mode to be sharply reduced (feed of the tool along the axis, speed of rotation of the part). The indicated phenomena are caused by the fact that when the tool sphere glides along the hardened surface, the friction forces change in jumps and fluctuate over a wide range. This leads to the appearance of frictional self-oscillations of the tool, to the smoothness of the movement of the tool and, as a consequence, to a decrease in the quality of processing. In the case where, along with hardening, a solid lubricant is applied, it is possible to reduce the sliding friction coefficient and to reduce self-oscillations. But they cannot be completely eliminated, and heating the tool above 400 ^o C will lead to the decomposition of the solid lubricant material (molybdenum disulfide and molybdenum delenide) and a decrease in the quality of the coating.

Известен способ формирования поверхностного слоя детали, согласно которому поверхность детали подвергают нормальному ударному воздействию концентратором-инструментом, которому также сообщают вращательное движение [3] Однако известный способ не обеспечения высокого качества поверхностного слоя. A known method of forming the surface layer of the part, according to which the surface of the part is subjected to normal impact by a hub-tool, which also imparts rotational motion [3] However, the known method does not ensure high quality surface layer.

Задачей изобретения является повышение качества упрочнения поверхностного слоя деталей. The objective of the invention is to improve the quality of hardening of the surface layer of parts.

Задача может быть решена за счет того, что инструменту-концентратору, колеблющемуся с ультразвуковой частотой в направлении, нормальном по отношению к обрабатываемой поверхности, сообщают дополнительно тангенциальные (крутильные) колебания ультразвуковой частоты. The problem can be solved due to the fact that the instrument-hub oscillating with ultrasonic frequency in the direction normal to the surface being treated is additionally informed with tangential (torsional) oscillations of the ultrasonic frequency.

На фиг.1 показан характер воздействия на обрабатываемую поверхность инструмента, колеблющегося только в нормальном направлении; на фиг.2 - характер воздействия инструмента, которому сообщают как нормальные, так и тангенциальные крутильные колебания; на фиг.3а,б схема устройства для реализации заявленного способа. Figure 1 shows the nature of the impact on the machined surface of the tool, oscillating only in the normal direction; figure 2 - the nature of the impact of the instrument, which reports both normal and tangential torsional vibrations; on figa, b diagram of a device for implementing the inventive method.

Обрабатываемая деталь 1 (плоская, цилиндрическая или коническая поверхность) подвергается воздействию сферического инструмента концентратора 2, колеблющегося с амплитудой A₁ и ультразвуковой частотой f₁ (фиг.1). При этом ударный импульс (P_уд) направлен по нормали к обрабатываемой поверхности, в результате материал покрытия 3 (например, твердая смазка, предварительно натертая на поверхность дисульфид молибдена) надежно закрепляется в основном на дне лунки, образовавшейся в результате пластической деформации. На боковых поверхностях лунки 4 наблюдается выдавливание материала, которое может сопровождаться его отделением от поверхности в виде хлопьев 5. Покрытие получается неоднородным, непрочным. Демпфирование нормального ударного импульса за счет жесткости материала детали и слоя материала покрытия не позволяет достичь максимально-возможного упрочнения наибольших остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое детали.The workpiece 1 (flat, cylindrical or conical surface) is exposed to a spherical tool of the hub 2, oscillating with amplitude A ₁ and ultrasonic frequency f ₁ (figure 1). In this case, the impact impulse (P _beats ) is directed normal to the surface being treated, as a result, the coating material 3 (for example, a solid lubricant previously rubbed on the surface of molybdenum disulfide) is securely fixed mainly on the bottom of the hole formed as a result of plastic deformation. On the lateral surfaces of the hole 4, extrusion of the material is observed, which may be accompanied by its separation from the surface in the form of flakes 5. The coating is inhomogeneous, fragile. Damping of a normal shock pulse due to the rigidity of the material of the part and the layer of coating material does not allow to achieve the maximum possible hardening of the largest residual compressive stresses in the surface layer of the part.

Если инструменту 2 сообщить дополнительные тангенциальные крутильные - ультразвуковые колебания с амплитудой A₂ и частотой f₂ (фиг.2), то характер воздействия на материал покрытия и обрабатываемую поверхность существенно меняется.If the tool 2 to report additional tangential torsional - ultrasonic vibrations with an amplitude of A ₂ and a frequency of f ₂ (figure 2), then the nature of the impact on the coating material and the treated surface varies significantly.

Материал покрытия 3 не "вбивается" (что неэффективно), а равномерно "втирается" в поверхность лунки по всей поверхности, чем обеспечивается качественная адгезия и равномерность распределения материала. При этом снижается трение инструмента-концентратора о деталь, уменьшается его нагрев, повышается стойкость. The coating material 3 is not “driven in” (which is inefficient), but evenly “rubbed” into the surface of the hole over the entire surface, which ensures high-quality adhesion and uniform distribution of the material. At the same time, the friction of the hub tool against the part decreases, its heating decreases, and the resistance increases.

Такой характер колебаний концентратора-инструмента меняет также общую схему формирования остаточных напряжений в поверхности детали. Наряду с нормальными в поверхности формируются (за счет ультразвуковых крутильных колебаний) тангенциальные напряжения сжатия, в результате чего создаются максимальные (для данных условий) сжимающие суммарные остаточные напряжения сжатия, что повышает износостойкость и поверхностную микротвердость поверхности. Получаем так называемую контактно-сдвиговую схему упрочнения детали, которая, как известно, более эффективна, чем контактная. This nature of the oscillations of the hub-tool also changes the general pattern of the formation of residual stresses in the surface of the part. Along with the normal tangential compressive stresses are formed in the surface (due to ultrasonic torsional vibrations), as a result of which maximum (for these conditions) compressive total residual compressive stresses are created, which increases the wear resistance and surface microhardness of the surface. We get the so-called contact-shear hardening scheme of the part, which, as you know, is more effective than contact.

Реализация способа может быть осуществлена, например, на станках токарной группы (фиг.3), оснащенных специальной технологической оснасткой, содержащей два магнитострикционных преобразователя (например, типа ПМС), питающихся от одного общего или от автономных ультразвуковых генераторов (например, УЗГ-10, не показаны). Использование автономных генераторов и преобразователей позволяет для каждого конкретного случая подпирать оптимальные режимы обработки (A₁ и A₂; f₁ и f₂).The implementation of the method can be carried out, for example, on the machines of the turning group (Fig. 3), equipped with special technological equipment containing two magnetostrictive transducers (for example, PMS type), powered by one common or from autonomous ultrasonic generators (for example, UZG-10, not shown). The use of autonomous generators and converters allows for each specific case to support the optimal processing modes (A ₁ and A ₂ ; f ₁ and f ₂ ).

Способ реализуется следующим образом. Деталь 1 с предварительно нанесенной на упрочняемую поверхность твердой смазкой (например, натертой дисудльфидом молибдена) устанавливают в центре токарного станка и соединяют с поводковым приспособлением. Технологическое оснащение, состоящее из двух преобразователей 6 и 8, концентраторов 2 и 7, установленное на суппорте станка, подводят за счет привода суппорта к обрабатываемой детали так, что концентратор-инструмент 2 прижимается с определенным усилием к обрабатываемой поверхности детали. Включают ультразвуковые генераторы; в результате концентратору-инструменту 2 сообщают нормальные (по отношению к обрабатываемой поверхности) ультразвуковые колебания с амплитудой A₁ и f₁ и крутильные (тангенциальные) колебания A₂ и f₂, передаваемые от концентратора 7 через диск 9 всей системе концентратор-преобразователь 2, 6. Так как в данной схеме задействованы два ультразвуковых концентратора (например, мод. ПМС 15А-18), а воздействие на деталь осуществляется наконечником-инструментом концентратора 2, то частоты f₁ и f₂ (так же, как и амплитуды A₁ и A₂) это частоты сложной электромеханической колебательной системы (фиг.3). Каждая из них зависит не только от частот электрических ультразвуковых колебаний, подаваемых на обмотки концентраторов 6 и 8 от ультразвукового генератора (или двух автономных генераторов), но и от инерционно-жесткостных характеристик элементов системы (жесткости паяного соединения концентратора 7 и диска 9, момента инерции диска 9 и всей системы концентраторов 6 и т.д.).The method is implemented as follows. Part 1 with a solid lubricant (for example, rubbed with molybdenum disulphide rubbed), previously applied to the hardened surface, is installed in the center of the lathe and connected to a towing device. Technological equipment, consisting of two transducers 6 and 8, concentrators 2 and 7, mounted on the support of the machine, is brought by the support of the support to the workpiece so that the hub-tool 2 is pressed with a certain force to the workpiece surface of the part. Include ultrasonic generators; as a result, the concentrator tool 2 is informed of normal (with respect to the surface being treated) ultrasonic vibrations with amplitudes A ₁ and f ₁ and torsional (tangential) vibrations A ₂ and f ₂ transmitted from concentrator 7 through disk 9 to the entire concentrator-transducer 2 system, 6. Since two ultrasonic concentrators are involved in this scheme (for example, mod. ПМС 15А-18), and the component is exposed to the tip-tool of the concentrator 2, the frequencies f ₁ and f ₂ (as well as the amplitudes A ₁ and A ₂ ) these are frequencies of complex electro mechanical oscillatory system (figure 3). Each of them depends not only on the frequencies of electric ultrasonic vibrations supplied to the windings of the concentrators 6 and 8 from the ultrasonic generator (or two autonomous generators), but also on the inertial-stiffness characteristics of the system elements (the stiffness of the soldered connection of the concentrator 7 and disk 9, the moment of inertia disk 9 and the entire system of hubs 6, etc.).

Для качественного формирования поверхностного слоя детали 1 необходимо, чтобы исключался эффект "выбивания" материала твердой смазки из лунки, возникающей в результате упрочнения поверхности (фиг. 1), и твердая смазка "втиралась" бы в поверхность (фиг. 2). В максимальной степени эффект "втирания" будет наблюдаться в том случае, если нормальные (f₁; A₁) и крутильные (f₂; A₂) ультразвуковые колебания будут синхронизированы как по частоте (f₁ f₂), так и по фазе. В этом случае в течение всего этапа внедрения инструмента-концентратора вглубь поверхности детали он будет поворачиваться вокруг своей оси, а нулевая точка крутильного колебания будет соответствовать максимальной глубине внедрения концентратора-инструмента в поверхность (соответствовать дну лунки, фиг.2). Поэтому, оптимальной следует считать ситуацию, когда частота нормальных колебаний наконечника концентратора-инструмента равна частоте крутильных колебаний наконечника, и колебания эти совпадают по фазе. Совпадение это при реализации способа может быть обеспечено за счет подбора и согласования инерционно-жесткостных и электрических параметров колебательной системы.For high-quality formation of the surface layer of the part 1, it is necessary that the effect of "knocking out" of the solid lubricant material from the hole resulting from surface hardening (Fig. 1) is eliminated, and the solid lubricant is "rubbed" into the surface (Fig. 2). To the maximum extent, the effect of “rubbing” will be observed if the normal (f ₁ ; A ₁ ) and torsional (f ₂ ; A ₂ ) ultrasonic vibrations are synchronized both in frequency (f ₁ f ₂ ) and in phase. In this case, during the entire stage of introducing the hub tool deep into the surface of the part, it will rotate around its axis, and the zero point of torsional vibration will correspond to the maximum depth of penetration of the hub tool into the surface (correspond to the bottom of the hole, Fig. 2). Therefore, the optimal situation should be considered when the frequency of normal vibrations of the tip of the hub-tool is equal to the frequency of torsional vibrations of the tip, and these vibrations coincide in phase. This coincidence during the implementation of the method can be achieved through the selection and coordination of inertial stiffness and electrical parameters of the oscillatory system.

Включают вращение детали и движение суппорта с осевой подачей S. Движение в направлении S продолжают до тех пор, пока вся обрабатываемая поверхность не будет пройдена. После этого суппорт отводят, станок останавливают, снимают готовую деталь и устанавливают следующую. Turn on the rotation of the part and the movement of the caliper with axial feed S. The movement in the S direction is continued until the entire machined surface is passed. After that, the caliper is retracted, the machine is stopped, the finished part is removed and the next one is installed.

В результате реализации способа повышается качество нанесения и износостойкость покрытия, снижается температура в зоне упрочнения (уменьшается вероятность терморазрушения в зоне упрочнения (уменьшается вероятность терморазрушения материала покрытия), обеспечивается максимальная (для данных условий) величина и глубина упрочнения, повышается стойкость инструмента (снижается опасность разрушения рабочего наконечника концентратора-инструмента под действием высокой температуры). As a result of the implementation of the method, the quality of application and the wear resistance of the coating increase, the temperature in the hardening zone decreases (the likelihood of thermal destruction in the hardening zone decreases (the probability of thermal destruction of the coating material decreases), the maximum (for these conditions) value and depth of hardening is increased, the tool life is increased (the risk of destruction is reduced) the working tip of the concentrator tool under the action of high temperature).

Claims

The method of forming the surface layer of the part, in which the workpiece surface is affected by a tool that performs oscillatory movements of the ultrasonic frequency normal to the surface to be machined and rotational movement around its longitudinal axis, characterized in that the rotational movement of the tool is carried out with an ultrasonic frequency that matches normal vibrations in size and phase.