RU2145538C1

RU2145538C1 - Method for case hardening of parts (crank shafts, cam shafts, sleeves, cylinders, blocks, tubes and so on) by shots

Info

Publication number: RU2145538C1
Application number: RU98109320A
Authority: RU
Inventors: В.М. Казаков
Original assignee: Казаков Владимир Михайлович
Priority date: 1998-04-06
Filing date: 1998-04-06
Publication date: 2000-02-20

Abstract

FIELD: case hardening of metallic parts by shots. SUBSTANCE: shot is fed through ultrasonic waveguide with the aid of turbine type adapter having shot-torch head driven to rotation around its own axis. Sleeves, cylinders, blocks of internal combustion engines, bearing races may be subjected to such treatment. EFFECT: enhanced efficiency of method. 4 cl, 9 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к области поверхностного упрочнения металлических изделий дробью, ультразвуковыми колебаниями или в смешанном варианте. The invention relates to the field of surface hardening of metal products by shot, ultrasonic vibrations or in a mixed form.

Известны многие способы обработки деталей струйно-абразивным или дробеструйным методом а/с N 1030152A от 03.08.98 г., N 5037003 от 06.03.76 г., N 878548 от 07.11.81 г., N 872235, N 1553361, N 272345, N 698751, N 814695, БИ N 11 1981 г., N 21001163, N 2106236. There are many known methods of processing parts by jet-abrasive or bead-blasting a / c N 1030152A from 08/03/98, N 5037003 from 06.03.76, N 878548 from 07.11.81, N 872235, N 1553361, N 272345, N 698751, N 814695, BI N 11 1981, N 21001163, N 2106236.

Известны способы обработки коленвалов N 1606300 A1 от 15.11.90 г., N 1734957 A-1 от 23.05.92 г., N 1761422 A-1 от 15.09.92 г., N 2007287 С-1 от 15.02.94 г. и др. Known methods for processing crankshafts N 1606300 A1 from 15.11.90, N 1734957 A-1 from 23.05.92, N 1761422 A-1 from 15.09.92, N 2007287 C-1 from 02.15.94 and other

Известны установки, устройства и способы отделочно-упрочняющей обработки поверхностей цилиндрических деталей дробеструйным методом, при использовании (вместо сопла) сопловой головки, при котором само пятно зоны деформационного нагружения дробевого потока преобразуется в кольцевой деформационный источник нагружения, движущийся с заданной подачей относительно потока (пучка) дроби. Такой вид деформационного нагружения более доступен для деталей симметричных в своем сечении по всей своей длине и менее доступен для коленвалов, так как они в своем сечении по всей длине (в том числе шеек) имеют несоосность и своеобразную конфигурацию. В связи с чем затрудняется равномерная обработка шатунных шеек коленвалов, так как их поверхности при вращении коленвала находятся на циклическом расстоянии по отношению сопла, из которого поступает дробевой поток, а также сложность равномерного вращения коленвала. Known installations, devices and methods for finishing and hardening the surfaces of cylindrical parts using a bead-blasting method, using a nozzle head (instead of a nozzle), in which the spot of the deformation loading zone of the shot stream is converted into an annular deformation loading source moving with a given feed relative to the stream (beam) fractions. This type of strain loading is more accessible for parts symmetrical in its section along its entire length and less accessible for crankshafts, since they have misalignment and a peculiar configuration in their section along the entire length (including necks). In this connection, it is difficult to uniformly treat the crankpins of the crankshaft, since their surfaces during the rotation of the crankshaft are at a cyclic distance with respect to the nozzle from which the shot flow comes from, as well as the difficulty of uniform rotation of the crankshaft.

Для формирования равномерной макро- и микротопографии, где (R_a до 0,18 мкм) при напряженно-деформационном состоянии поверхностного слоя, разработана своеобразная схема, при которой обработка внутренней поверхности цилиндров будет равномерной по всей поверхности. Удар о преграду единичного шарика будет носить контактно-сдвиговой характер без элементов обкатки, а сами пятна зоны деформационного нагружения дробевых потоков сливаются в наклепанно-нагруженную кольцевую обойму.For the formation of uniform macro- and microtopography, where (R _a up to 0.18 μm) under the stress-strain state of the surface layer, a unique scheme has been developed in which the processing of the inner surface of the cylinders will be uniform over the entire surface. The impact on the barrier of a single ball will be of a contact-shear nature without break-in elements, and the spots of the zone of deformation loading of shot flows merge into a riveted-loaded ring cage.

Кроме того, схема предусматривает устранение отрицательного влияния таких краевых условий, как интенсивный эрозийный съем металла на кромках обрабатываемых цилиндров, в результате чего происходит изменение их конфигурации, что нежелательно для кромок цилиндров для всех моделей и модификаций цилиндров гильз и блоков ДВС, компрессоров. In addition, the scheme provides for the elimination of the negative influence of such boundary conditions as intense erosive metal removal at the edges of the cylinders being machined, resulting in a change in their configuration, which is undesirable for cylinder edges for all models and modifications of cylinder liners and ICE blocks, compressors.

Техническим результатом изобретения является множительное расширение технологических возможностей при финишной обработке поверхностей деталей (валов, цилиндров) при обеспечении повышения производительности, которое достигается при одновременном воздействии ультразвуковых колебаний и подаче деталей в направлении от зоны ультразвуковой обработки к зоне дробеструйного воздействия (при обработке валов и обработке поверхностей цилиндров, блоков или гильз), а также обойм подшипников скольжения с помощью специальной турбонасадки и дробефакельной головки. The technical result of the invention is a significant expansion of technological capabilities in the finish treatment of surfaces of parts (shafts, cylinders) while providing an increase in productivity, which is achieved with simultaneous exposure to ultrasonic vibrations and supply of parts in the direction from the ultrasonic treatment zone to the shot blasting zone (during shaft processing and surface treatment cylinders, blocks or sleeves), as well as bearings of bearings using special turbo nozzles and draws efakelnoy head.

Технический результат достигается тем, что в способе отделочно-упрочняющей обработки шеек коленвалов дробью, эжектируемую жидким или воздухогазообразным энергоносителем без или с наличием ультразвуковых колебаний в условиях окружных соизмеримых относительных скоростей дроби, заложена схема, исключающая неравномерную обработку поверхностей деталей (валов, цилиндров, гильз, блоков). The technical result is achieved by the fact that in the method of finishing and hardening treatment of the crankshaft journals with a shot ejected by a liquid or air-gas energy carrier without or with the presence of ultrasonic vibrations under conditions of circumferential comparable relative velocities of the shot, a scheme is established that excludes uneven treatment of the surfaces of parts (shafts, cylinders, sleeves, blocks).

На схемах 1 - 5 показано осуществление описываемого способа. Charts 1 to 5 show the implementation of the described method.

На станке, на специальной установке или на автоматической линии по обработке шеек коленчатых валов, которые оснащены пневмо-гидродробеструйно-ультразвуковой системой, закрепляется обрабатываемая деталь. Предварительно коленчатый вал проходит полный цикл обработки шеек по обычной технологии. При проведении тонкой обточки исключается их шлифовка, вместо которой вводится операция по предлагаемому способу. Регулировку степени обработки можно производить за счет расстояния сопел, расположенных от обрабатываемой поверхности и величины диаметра отверстия в зависимости от величины обрабатываемой поверхности, а также величины давления дробеультразвукового потока. The workpiece is fixed on the machine, on a special installation or on an automatic line for processing the necks of crankshafts, which are equipped with a pneumohydroblast-jet-ultrasonic system. Previously, the crankshaft goes through a complete neck processing cycle using conventional technology. When carrying out thin turning, their grinding is excluded, instead of which an operation is introduced according to the proposed method. The degree of processing can be adjusted due to the distance of the nozzles located from the surface to be treated and the diameter of the hole depending on the size of the surface to be treated, as well as the pressure value of the shot-ultrasound flow.

Примеры. Examples.

Раздел 1. Section 1.

Часть 1. Проводится дробеударная отделочно-упрочняющая операция вала, прошедшего полный технологический цикл обработки с возможным исключением окончательной обработки шлифовкой. Part 1. A shot-impact finishing and hardening operation of a shaft that has undergone a complete processing cycle with the possible exception of final processing by grinding is carried out.

Давление рабочей смеси, поступающей в канал, равно P=3-10 мПа. The pressure of the working mixture entering the channel is P = 3-10 MPa.

Исходная шероховатость поверхности обрабатываемых шеек до 0,3-0,4 мкм, исходная твердость HB = 80-120 мПа. Полученные сравнительные данные по традиционной операции тонкой шлифовки и отделочно-упрочняющей обработки, где для обработки валов основной волновод 4 (фиг.2) оканчивается наконечником 22 (фиг. 2, 3). Площадка 23 наконечника 22 находится в процессе обработки в контакте на ширине Δ и длине l с поверхностью изделия 10. Контактирование осуществляется приложением статического усилия P, с помощью предварительного динамометрического нагружения поверхности изделия на торец волновода, показывает, что топографический макро- и микрорельеф имеет более качественный характер, сопоставляемый с отшлифованной поверхностью шеек, при этом по высотным параметрам шероховатость у предложенного способа составляет R_a = 16-18 мкм, что и у процесса шлифовки, но с более качественной кривой опорной поверхности выступов, что значительно повышают противоизносные характеристики обрабатываемой поверхности предлагаемым способом.The initial surface roughness of the processed necks up to 0.3-0.4 microns, the initial hardness HB = 80-120 MPa. The obtained comparative data on the traditional operations of fine grinding and finishing and hardening processing, where for processing the shafts the main waveguide 4 (Fig. 2) ends with a tip 22 (Fig. 2, 3). The platform 23 of the tip 22 is in the process of processing in contact at a width Δ and a length l with the surface of the product 10. Contacting is carried out by applying a static force P, using preliminary dynamometric loading of the product surface on the waveguide end, it shows that the topographic macro- and microrelief has better quality a nature comparable with the polished surface of the necks, while the roughness of the proposed method in terms of height parameters is R _a = 16-18 μm, as in the grinding process, but with more high-quality curve of the supporting surface of the protrusions, which significantly increase the anti-wear characteristics of the treated surface of the proposed method.

Кроме этого, замеры остаточных напряжений показали плавное распределение ε_о.н с максимумом у поверхности, что также дополнительно способствует увеличению противоизносных характеристик. Твердость приповерхностного слоя до дробеструйной обработки 80-120 мПа возросло до HB 240-285 единиц.In addition, measurements of residual stresses showed a smooth distribution of ε _о.н with a maximum near the surface, which also further contributes to an increase in antiwear characteristics. The hardness of the surface layer before shot blasting of 80-120 MPa increased to HB 240-285 units.

При обработке поверхностей шеек коленвалов стеклянными шариками по этой же схеме для достижения подобных результатов шероховатости и твердости необходимо увеличить давление рабочей смеси, получая при этом положительные результаты: дополнительный эффект, как насыщение приповерхностного слоя стекловолокнистыми микроэлементами, что способствует сохранению рабочих поверхностей обрабатываемой детали от коррозии, придавая мягкий скользящий процесс работе пары трения поверхности цилиндра с поверхностью вала. When treating the surfaces of the crankshaft necks with glass balls according to the same scheme, to achieve similar roughness and hardness results, it is necessary to increase the pressure of the working mixture, while obtaining positive results: an additional effect, like saturation of the surface layer with fiberglass microelements, which helps to save the working surfaces of the workpiece from corrosion, giving a soft sliding process to the work of a friction pair of the surface of the cylinder with the surface of the shaft.

Наконечник 22 имеет щелевидное сопловое окно 24 для выброса дроби, например подшипниковых шариков диаметром 2,0 - 2,5 мм из стали ШХ15, на обрабатываемую поверхность. Наконечник 22 закреплен в теле волновода с помощью резьбового соединения 25. В зависимости от геометрической формы обрабатываемой поверхности (радиусные участки гантелей, пазы и т.д.) форма рабочей части инструмента-наконечника и его соплового окна меняется. The tip 22 has a slit-like nozzle window 24 for ejecting shots, for example, bearing balls with a diameter of 2.0 - 2.5 mm from ШХ15 steel, onto the surface to be treated. The tip 22 is fixed in the body of the waveguide using a threaded connection 25. Depending on the geometric shape of the surface to be treated (radius sections of dumbbells, grooves, etc.) the shape of the working part of the tip tool and its nozzle window changes.

При применении совместно дробеструйной и ультразвуковой обработки происходит увеличение твердости на 3-4 единицы глубины упрочненного слоя и повышение остаточных сжимающих напряжений. When applied together by shot peening and ultrasonic treatment, an increase in hardness by 3-4 units of the depth of the hardened layer and an increase in residual compressive stresses occur.

Механизм повышения деформационного эффекта заключается в том, что при дробеструйном высокоскоростном нагружении и одновременном высокочастотном ультразвуковом воздействии в зоне обработки происходит снижение сопротивления материала пластическому деформированию, за счет влияния термоактивности сходных по характеру процессов и сопровождающих их явлений - низкочастотного полномасштабного удара стальных шариков (160-180 ударов в секунду) и высокочастотных микроударов торца сопла волновода, в результате чего происходит снижение предела текучести и уменьшение области пластической деформации под каждым единичным шариком. При этом поликристалл деформируется без образования несплошностей по границам зерен, облегчаются условия развития микропластических сдвигов и соседние зерна более активно приспосабливаются к формоизменению зерен, расположенных ближе к поверхности металла. Применение этого способа увеличивает прочностные показатели поверхностного слоя и формирования в нем сжимающих напряжений - высокой интенсивности, что в конечном итоге повышает эксплуатационную стойкость рабочих поверхностей. The mechanism of increasing the deformation effect lies in the fact that when shot-blasting high-speed loading and simultaneous high-frequency ultrasonic exposure in the treatment zone, the material decreases its resistance to plastic deformation due to the influence of thermal activity of processes similar in nature and the accompanying phenomena - low-frequency full-scale impact of steel balls (160-180 beats per second) and high-frequency micro-impacts of the end face of the waveguide nozzle, resulting in a decrease in the limit yield and reduction of the area of plastic deformation under each single ball. In this case, the polycrystal is deformed without the formation of discontinuities at the grain boundaries, the conditions for the development of microplastic shears are facilitated, and neighboring grains more actively adapt to the shape change of grains located closer to the metal surface. The application of this method increases the strength characteristics of the surface layer and the formation of compressive stresses of high intensity in it, which ultimately increases the operational stability of the working surfaces.

Часть 2, где на фиг.1 показана принципиальная кинематико-энергетическая схема установки: на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1. Part 2, where figure 1 shows a schematic kinematic-energy diagram of the installation: figure 2 - section aa in figure 1.

Установка содержит емкость 1 с жидкостью, например с трансформаторным маслом. The installation contains a container 1 with a liquid, for example with transformer oil.

В основании емкости 1 установлен магнитострикционный ультразвуковой преобразователь 2, к концентратору 3 которого подсоединен экспоненциальный волновод 4. Вокруг волновода 4 установлен каркас 5 дробесборника с металлической сеткой 6 и эластичным диффузором 7. A magnetostrictive ultrasonic transducer 2 is installed at the base of the tank 1, and an exponential waveguide 4 is connected to the hub 3. A frame 5 of the shotgun with a metal mesh 6 and an elastic diffuser 7 is installed around the waveguide 4.

В верхней части рабочей камеры размещены приводы 8 и 9 рабочей подачи и вспомогательных перемещений обрабатываемой детали 10. Приводы установлены на подпружиненной плите 11. In the upper part of the working chamber there are placed drives 8 and 9 of the working feed and auxiliary movements of the workpiece 10. The drives are mounted on a spring-loaded plate 11.

Установка снабжена гидростанцией, содержащей маслонасос 12, редуктор давления 13, манометр 14, магистраль 15, соединяющую насос 12 с гидрорессивером 16, который служит также камерой для охлаждения преобразователя 2. The installation is equipped with a hydraulic power station containing an oil pump 12, a pressure reducer 13, a pressure gauge 14, a line 15 connecting the pump 12 to the hydraulic gear 16, which also serves as a chamber for cooling the converter 2.

Преобразователь 2 соединен выводами 17 с ультразвуковым генератором (не показан). Волновод 4 имеет центральный канал 18 (фиг.2), являющийся сопловым эжекционным каналом, а также дробезаборник 19 и форсунку 20, соединенную каналом 21 с охлаждающей камерой. The transducer 2 is connected by terminals 17 to an ultrasonic generator (not shown). The waveguide 4 has a central channel 18 (Fig. 2), which is a nozzle ejection channel, as well as a shotgun 19 and a nozzle 20 connected by a channel 21 to the cooling chamber.

Раздел 2. Section 2

Часть 1, где на фиг. 1 показана принципиальная кинематико-энергетическая схема установки. На фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1. Для обработки поверхностей цилиндров блоков и гильз ДВС в плите 11 и в крышке емкости 1 сделаны окна, в которых устанавливаются в подвижной плите стакан, входящий в стакан, установленный в верхнюю крышку емкости под жидкость, которые должны иметь зазор между собой по величине меньше, чем ⌀ шариков, применяемых для обработки деталей (блоков, гильз, труб шарикоподшипниковых обойм и т.п.), при обработке гильз они служат стаканами. Для обработки поверхностей цилиндров применяются специальные турбогидродробеструйные насадки, с помощью которых производится подача суспензии в дробефакельную головку, вращая ее вокруг своей оси, с помощью которой происходит образование окружного дробефакельного потока (инструмента) для обработки внутренних поверхностей цилиндрической формы. Для реализации выполнения обработки поверхностей предусмотрена головка фиг. 6, с турбонасадкой фиг. 7, 8, которые способны обеспечить подачу суспензии при определенной степени концентрации дроби с ультразвуковыми колебаниями при определении сфокусированности окружного дробефакельного потока через форсунки дробефакельной головки. Part 1, where in FIG. 1 shows a basic kinematic-energy scheme of the installation. In FIG. 2 is a section AA in FIG. 1. To process the surfaces of the cylinder blocks and ICE liners in the plate 11 and in the lid of the container 1, windows are made in which a glass is installed in the movable plate, a glass entering the glass installed in the upper cover of the container under the liquid, which must have a gap between each other in size than ⌀ balls used for processing parts (blocks, sleeves, tubes of ball bearings, etc.), they serve as cups when processing sleeves. To process the surfaces of the cylinders, special turbohydro-shot blasting nozzles are used, with the help of which the suspension is supplied to the shot-head, rotating it around its axis, with the help of which a round shot-thread (tool) is formed to process the inner surfaces of the cylindrical shape. To implement surface treatment, the head of FIG. 6, with the turbo nozzle of FIG. 7, 8, which are capable of supplying a suspension at a certain degree of concentration of the fraction with ultrasonic vibrations when determining the focus of the circumferential shot torch stream through nozzles of the shot torch head.

Сопловая головка фиг. 6 состоит из основного корпуса 26 с крышкой 27, соединенных между собой обоймой 28, а турбонасадка фиг. 7 состоит из корпуса 29, турбины 30 и ребер турбины 31. The nozzle head of FIG. 6 consists of a main body 26 with a cover 27 interconnected by a cage 28, and the turbo nozzle of FIG. 7 consists of a housing 29, a turbine 30, and fins of a turbine 31.

Обработка внутренних цилиндрических поверхностей (в частности на фиг. 4 показана обработка обойм колец 7), производится при подаче дробеультразвукового потока через канал 18 волновода 4, на который устанавливается с подшипников 32 турбонасадка 33, с дробекафельной головкой 34, которые крепятся к волноводу с помощью гайки 35, которая по окружности в верхней части имеет вмонтированные шарики 36, способствующие центрации и более мягкому вращению турбонасадки. Сама обойма устанавливается в специальный корпус 37 с крышкой 38. Корпус под обойму подшипника крепится к подвижной плите 11 с помощью болтов 39 или с помощью приводов 8, 9. Подъем и опускание подвижного стола производится с помощью электродвигателей, установленных на опорные винты. The processing of the inner cylindrical surfaces (in particular, Fig. 4 shows the processing of the cage of the rings 7), is performed when a shot-ultrasound stream is supplied through the channel 18 of the waveguide 4, onto which the turbo nozzle 33 is mounted from bearings 32, with a shot-head 34, which are attached to the waveguide using a nut 35, which around the circumference in the upper part has mounted balls 36, contributing to the centering and softer rotation of the turbo nozzle. The cage itself is installed in a special housing 37 with a cover 38. The housing under the bearing cage is attached to the movable plate 11 using bolts 39 or using drives 8, 9. Raising and lowering the movable table is done using electric motors mounted on the support screws.

Часть 2, где на фиг. 5 показана обработка цилиндров блоков 39, которые крепятся на плите с помощью резиновой или паролоновой прокладки 40, а также с помощью приводов 8, 9, при подаче дробеультрозвукового потока по каналу 18, волновода 4 и турбонасадки с дробекафельной головкой 41. Сама турбонасадка выполнена с удлинителем, который состоит из трубы, на которой установлен ротор 42 со статором 43 и корпусом 44 с верхней крышкой 45, в которой имеются каналы 46 для подачи ультразвукового потока. Part 2, where in FIG. 5 shows the processing of the cylinders of blocks 39, which are mounted on the plate using a rubber or foam rubber gasket 40, as well as with the help of drives 8, 9, when applying a shot-sound flow through channel 18, a waveguide 4 and a turbo nozzle with a shot head 41. The turbo nozzle itself is made with an extension , which consists of a pipe on which a rotor 42 with a stator 43 and a housing 44 with a top cover 45, in which there are channels 46 for supplying an ultrasonic stream, is installed.

Вся турбонасадка с ультразвуковым генератором посажена на волновод 4 с помощью обоймы 47 и подшипника 48. The entire turbo nozzle with an ultrasonic generator is mounted on the waveguide 4 using a cage 47 and a bearing 48.

Применение турбонасадочного генератора позволяет дополнительно влиять на обрабатываемую поверхность, что позволяет ее использовать при ремонте ультразвукового преобразователя или в дополнение к нему, с целью ускорения и улучшения обработки поверхности детали. The use of a turbo-nozzle generator allows an additional influence on the surface to be treated, which allows it to be used when repairing an ultrasonic transducer or in addition to it, in order to accelerate and improve the surface treatment of a part.

Claims

1. The method of surface hardening of parts with a fraction that is fed through an ultrasonic waveguide, characterized in that it additionally uses a turbo-nozzle with a shot-head, which rotate around its axis.

2. The method according to claim 1, characterized in that they use a device for installing and processing sleeves and cylinders of internal combustion engines (ICE).

3. The method according to claim 1, characterized in that they use a device for installing and processing engine blocks.

4. The method according to claim 1, characterized in that they use a device for installing and processing bearings cages.