RU2287020C1 - Способ упрочнения поверхности металлических изделий - Google Patents
Способ упрочнения поверхности металлических изделий Download PDFInfo
- Publication number
- RU2287020C1 RU2287020C1 RU2005111488/02A RU2005111488A RU2287020C1 RU 2287020 C1 RU2287020 C1 RU 2287020C1 RU 2005111488/02 A RU2005111488/02 A RU 2005111488/02A RU 2005111488 A RU2005111488 A RU 2005111488A RU 2287020 C1 RU2287020 C1 RU 2287020C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- balls
- powder
- chamber
- mass
- product
- Prior art date
Links
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может быть использовано при изготовлении различных изделий. Для повышения износостойкости и прочности угловых соединений в замкнутую рабочую камеру с газовой средой размещают изделия, стальные шарики и порошок легирующего вещества. Шарики и порошок приводят в движение до столкновения с обрабатываемой поверхностью с помощью ультразвукового поля, создаваемого в рабочей камере при колебаниях ее стенки с заданной амплитудой смещения для одновременной обработки деформированием и диффузионным массопереносом в поверхностный слой атомов легирующего вещества (карбонил молибдена или дисульфид молибдена). Заканчивают обработку по истечении заданного времени. Шарики выполнены разного диаметра с общей массой M=1/i·(V1-V2)/ξm(D1/k1+D2/k2)+...+Di/ki), где V1 - объем рабочей камеры; V2 - объем части изделия, находящейся в камере; ξm - амплитуда смещения стенки камеры; D1, D2...Di - диаметр стальных шариков; k1, k2...ki=(1,7-2,3)·102 см3/г - коэффициент пропорциональности, а массу одного типоразмера шариков определяют: 
где i - номер применяемого типоразмера шариков (i≠1), при этом D1>D2>...>Di, а масса легирующего вещества определяется как
Description
Способ относится к области обработки металлов поверхностным пластическим деформированием и может быть использовано в машиностроении и металлургии при изготовлении различных изделий, в том числе режущего инструмента, рабочих элементов деталей штампов и форм литья под давлением и других изделий машиностроения.
Известен способ обработки поверхности металлических изделий, включающий помещение в замкнутую рабочую камеру с газовой средой изделия и стальных шариков, приведение в движение шариков до столкновения с обрабатываемой поверхностью с помощью ультразвукового поля, создаваемого в рабочей камере при колебаниях ее стенки с заданной амплитудой смещения, окончание обработки по истечении заданного времени, при этом обработку осуществляют общей массой шариков
где V1 - объем рабочей камеры; V2 - объем части изделия, находящейся в камере; ξm - амплитуда смещения стенки камеры; D - диаметр стальных шариков; k=(1,7-2,3)·102 см3/кг - коэффициент пропорциональности, одновременного деформирования и диффузионного массопереноса в поверхностный слой атомов легирующего вещества, в рабочую камеру помещают порошок легирующего вещества (карбонил молибдена или дисульфид молибдена) массой
где d - средний диаметр частиц порошка; ρ1 и ρ0 - плотности соответственно материалов порошка и шариков; f0 - частота колебаний; σ0,2 - предел текучести материала изделия, обработку осуществляют одновременно шариками и частицами порошка, а заканчивают ее по истечении времени
где S0 - внутренняя площадь камеры; S1 - площадь поверхности изделия;
L - максимальное расстояние от стенки камеры до изделия (прототип).
Способ позволяет оптимизировать режим обработки, т.е. добиться максимальной интенсивности упрочнения и твердости поверхности. Однако износостойкость максимальной площади поверхности деталей и прочность угловых соединений, обработанной по этому способу, остается недостаточно высокой, а уровень шумов при работе упрочненных зубчатых пар повышенным.
Предлагаемое изобретение решает задачу повышения износостойкости и прочности угловых соединений, с уменьшением уровня шумов при работе в упрочненных зубчатых парах за счет создания микрорельефа при пластическом деформировании максимальной площади поверхности деталей.
Эта задача решается тем, что в способе, включающем помещение в замкнутую рабочую камеру с газовой средой изделия и стальных шариков, приведение в движение шариков до столкновения с обрабатываемой поверхностью с помощью ультразвукового поля, создаваемого в рабочей камере при колебаниях ее стенки с заданной амплитудой смещения, окончание обработки по истечении заданного времени, одновременного деформирования и диффузионного массопереноса в поверхностный слой атомов легирующего вещества (карбонил молибдена или дисульфид молибдена), обработку осуществляют одновременно шариками и частицами порошка, а заканчивают ее по истечении времени
где S0 - внутренняя площадь камеры; S1 - площадь поверхности изделия;
L - максимальное расстояние от стенки камеры до изделия, при этом шарики выполнены разного диаметра с общей массой
где V1 - объем рабочей камеры; V2 - объем части изделия, находящейся в камере; ξm - амплитуда смещения стенки камеры; D1,D2...Di - диаметр стальных шариков; k1,k2...ki=(1,7-2,3)·102 см3/г - коэффициент пропорциональности, а масса одного типоразмера шариков определяется как
где i - номер применяемого типоразмера шариков (i≠1), при этом D1>D2>...>Di, а масса легирующего вещества определяется как
где d - средний диаметр частиц порошка; ρ1 и ρ0 - плотности соответственно материалов порошка и шариков; f0 - частота колебаний; σ0,2 - предел текучести материала изделия.
В процессе обработки возможен подогрев среды рабочей камеры путем поддува в нее нагретого газа.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.
Здесь 1 - магнитострикционный ультразвуковой преобразователь, 2 - ступенчатый концентратор, 3 - рабочая камера, 4 - изделие, 5 - стальные шарики, 6 - частицы порошка.
При возбуждении колебаний торца концентратора при амплитудах смещения 50-100 мкм в рабочей камере возникают мощные радиационные давления и акустические потоки, которые поднимают частицы порошка и стальные шарики. Касаясь колеблющейся стенки волновода, частицы и стальные шарики получают скорость V=4πξmfc и затем ударяют по обрабатываемой поверхности изделия. При ударах шариков различного диаметра, под которыми в это время находятся частицы порошка, по поверхности происходит диффузионный массоперенос атомов порошка в поверхностный слой изделия равномерно по всей поверхности, создавая микрорельеф даже в труднодоступных местах, особенно в местах сочленения деталей под различными углами. Диффузионный массоперенос атомов обусловлен двумя причинами: с одной стороны при ударах шариков выделяется тепло в локальных местах и образуется большой градиент температур, что значительно ускоряет диффузию; с другой стороны при ударах образуются большие акустические давления в материале изделия, что также приводит к значительному ускорению диффузии.
Так как установлено, что для того, чтобы под каждым ударом шарика оказывалось достаточное число частиц порошка, необходимо, чтобы за время обработки τобр частицы порошка покрыли поверхность 103-104 раз. Время такой обработки определено как
Если обработку осуществлять в течение времени меньшего, чем (1), то недостаточное число частиц порошка проникает в поверхностный слой и износостойкость поверхности будет низкой. Если же время обработки будет больше, чем (1), то происходит перенаклеп (шелушение) поверхности и износ резко увеличится.
Время, за которое шарики полностью пластически продеформируют всю обрабатываемую поверхность и создадут необходимый микрорельеф, установлено нами в виде
где n - общее число шариков.
Из (5) и (6) и учитывая, что масса шариков 
, а также то, что время покрытия порошком поверхности 103-104 раз и время ее пластической деформации должны быть равны, то получим соотношение между массой порошка и массой шариков в виде (4).
Если масса порошка будет меньше величины, определенной по (4), то поверхность недостаточно плотно покроется порошком, концентрация атомов в поверхностном слое будет недостаточной и износостойкость уменьшится. Если же масса порошка будет больше величины, определенной по (4), то частицы порошка будут покрывать плотным слоем поверхность изделия и демпфировать удары шариков, вследствие чего не будет достаточной пластической деформации и проникновения атомов порошка вглубь поверхностного слоя, что в конечном счете приводит к уменьшению износостойкости. Соблюдение условий, определенных выражениями (1, 2, 3, 4), т.е. выбор времени обработки, общей массы шариков, массы шариков одного типоразмера и массы порошка, позволяет получить требуемое качество поверхности, при этом повысить ее износостойкость и уменьшить уровень шума при работе механизмов с обработанными зубчатыми парами за счет создания микрорельефа при пластическом деформировании максимальной площади поверхности деталей.
Пример. Проводилась обработка образцов из стали 20ХТНМ с твердостью 45...48 HRC (после термической обработки) с σ0,2=1400-1600МПа.
Режимы ультразвукового упрочнения были следующими:
амплитуда смещения ξ=0,0057 см, диаметры шариков D1=0,3 см, D2=0,26 см, D3=0,18 см. Оптимальная масса шариков, определенная по аналитическому выражению (2), составляла М=3,9 г, частота колебаний f=21,7 кГц, площадь рабочей камеры S0=24 см2, площадь обрабатываемой поверхности образца S1=7 см2, объем рабочей камеры V1=32 см3, объем части изделия V1=14 см3, расстояние образца до излучающей поверхности L=0,005 м, диаметр частиц порошка d=50...70 мкм. Использовался порошок дисульфида молибдена плотностью ρ1=10,2 г/см3, плотность стальных шариков составляла ρ0=7,8 г/см3.
В процессе обработки изменялась масса засыпаемого в рабочую камеру порошка, рассчитываемая по выражению (4), и изменялось соотношение масс шариков различного диаметра, определяемое по формуле (3). После обработки измерялся износ поверхности изделия, уровень шума механизма с обработанными зубчатыми парами и площадь обработанной поверхности.
Износ поверхности изделия проводился по следующей методике: испытания проводились на строгальном станке модели 7Б35 при возвратно-поступательном движении. Контр-образцом служил образец из стали ШХ 15 с твердостью 62 HRC. Испытания проводились со смазкой машинным маслом при нагрузке 150 кг. Перед испытанием образцы промывались в бензине и ацетоне, а затем взвешивались на аналитических весах ВЛА - 200 г. Приработка образцов проводилась в течении 2,5 часов. После приработки образцы снимались, промывались и взвешивались; также взвешивание проводилось после окончания испытаний. Износостойкость оценивали по потере исследованных образцов в весе. До и после испытаний проводились замеры твердости, линейных размеров, шероховатости поверхности (на профилографе - профилометре) исследованных образцов. Контактная площадь соприкосновения исследованных образцов с контр-образцом составляла 10×10 мм.
Расчеты по выражениям (1) и (4) при указанных выше параметрах обработки для стали 20ХТНМ дают, соответственно, массу порошка и время обработки:
m=0,1-1,0 г; τ=20-200 с.
Результаты экспериментальных данных представлены в таблицах 1, 2.
Снижение уровня шума механизма с обработанными зубчатыми колесами из стали 20ХТНМ шариками диаметром только 3 мм составлял 1,9 Дб, а снижение уровня шума механизма с обработанными зубчатыми колесами шариками диаметрами 3 мм, 2,6 мм и 1,8 мм, взятых в соотношении согласно формулы (3), составил в среднем около 2,6 Дб. Площадь обработанной поверхности увеличилась на 3...5% за счет обработки поверхностей, труднодоступных для шариков большего диаметра (исследование проводились визуально с помощью лабораторного микроскопа), при этом прорабатываются переходные поверхности с наибольшей концентрацией внутренних напряжений. Результаты экспериментальных данных представлены в таблицах 3, 4.
Таким образом, способ позволяет в зависимости от размеров изделия, свойств его материала, размеров тел, акустических параметров определять режимы обработки; время обработки, массу загружаемого порошка, массу применяемых типоразмеров шариков в зависимости от их диаметров. Обработка, при определенных таким образом режимах, позволяет получить оптимальные свойства поверхности изделия.
| Таблица 1 Зависимость износостойкости стали 20ХТНМ от массы порошка дисульфида молибдена в рабочей камере УЗ-й обработки. Время обработки 120 с |
||||||
| Обработка по предлагаемому способу | Масса порошка дисульфида молибдена, г | 0,05 | 0,1 | 0,5 | 1,0 | 2,0 |
| Оптимальный вариант, соответствующий выражению (4) | ||||||
| Потеря массы, г 10-4 | 36,0 | 11,0 | 8,5 | 11,2 | 31,0 | |
| Обработка по прототипу | Потеря массы, г 10-4 | 36,0 | 12,0 | 10,5 | 12,7 | 38,0 |
| Таблица 2 Зависимость износостойкости стали 20ХТНМ от времени обработки. Масса порошка дисульфида молибдена m=0,5 г |
|||||||||||||
| Обработка по предлагаемому способу | Время обработки, с | 5 | 15 | 120 | 140 | 250 | |||||||
| Оптимальный вариант, соответствующий выражению (1) | |||||||||||||
| Потеря массы, г 10-4 | 36,0 | 11,0 | 8,5 | 11,4 | 34,0 | ||||||||
| Обработка по прототипу | Потеря массы, г 10-4 | 36,0 | 12,0 | 10,5 | 12,7 | 38,0 | |||||||
| Таблица 3 Замер шума раздаточных коробок шумомером "Брюль и Къер" |
|||||||||||||
| Шумоконтрольный станок 5793 (1230 об/мин) | |||||||||||||
| Рабочая сторона, Дб | Обратная сторона, Дб | ||||||||||||
| Без нагрузки | С нагрузкой | Без нагрузки | С нагрузкой | ||||||||||
| Эталон | 78 | 77 | 79 | 79 | |||||||||
| прототип | До обработки | 81 | 80 | 81 | 80 | ||||||||
| После обработки | 79,1 | 78,2 | 81 | 80,5 | |||||||||
| Предложенный способ | До обработки | 81 | 80 | 80 | 81 | ||||||||
| После обработки | 78,4 | 77,3 | 79 | 79,5 | |||||||||
| Таблица 4 Замер шума раздаточных коробок шумомером "Брюль и Къер" |
|||||||||||||
| Шумоконтрольный станок КСЗ-5Ш (1920 об/мин) | |||||||||||||
| Рабочая сторона, Дб | Обратная сторона, Дб | ||||||||||||
| Без нагрузки | С нагрузкой | Без нагрузки | С нагрузкой | ||||||||||
| Эталон | 81 | 81 | 81,5 | 82 | |||||||||
| прототип | До обработки | 83,5 | 82 | 82,5 | 81,5 | ||||||||
| После обработки | 82 | 80,1 | 80 | 80,5 | |||||||||
| Предложенный способ | До обработки | 84 | 82 | 83,5 | 82 | ||||||||
| После обработки | 80,5 | 79,5 | 80 | 79,5 | |||||||||
Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет увеличить площадь обработанной поверхности на 3...5% и увеличить износостойкость на 25%, без увеличения времени обработки, при этом уменьшить уровень шума работающего механизма в среднем на 2,6 Дб и снизить риск перенаклепа.
Проведенные патентные исследования и анализ известных в науке и технике технических решений позволяет сделать вывод о соответствии предложенного способа критерию "существенные отличия".
Литература
1. Авторское свидетельство СССР №1765207, кл. С 21 D 7/02, С 23 С 10/00 - прототип.
Claims (1)
- Способ упрочнения поверхности металлических изделий, включающий помещение в замкнутую рабочую камеру с газовой средой изделия, стальных шариков и порошка легирующего вещества, приведение в движение шариков и порошка до столкновения с обрабатываемой поверхностью с помощью ультразвукового поля, создаваемого в рабочей камере при колебаниях ее стенки с заданной амплитудой смещения для одновременной обработки деформированием и диффузионным массопереносом в поверхностный слой атомов легирующего вещества и заканчивают обработку по истечении времени
где S0 - внутренняя площадь камеры; S1 - площадь поверхности изделия; L - максимальное расстояние от стенки камеры до изделия,отличающийся тем, что шарики выполнены разного диаметра с общей массой
где V1 - объем рабочей камеры; V2 - объем части изделия, находящейся в камере; ξm - амплитуда смещения стенки камеры; D1, D2...Di - диаметры стальных шариков; k1, k2...ki=(1,7-2,3)·102 см3/г - коэффициенты пропорциональности, при этом массу одного типоразмера шариков определяют как
где i - номер применяемого типоразмера шариков (i≠1), при этом D1>D2>...>Di,а массу легирующего вещества определяют как
где d - средний диаметр частиц порошка; ρ1 и ρ0 - плотности соответственно материалов порошка и шариков; f0 - частота колебаний; σ0,2 - предел текучести материала изделия.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005111488/02A RU2287020C1 (ru) | 2005-04-18 | 2005-04-18 | Способ упрочнения поверхности металлических изделий |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005111488/02A RU2287020C1 (ru) | 2005-04-18 | 2005-04-18 | Способ упрочнения поверхности металлических изделий |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2287020C1 true RU2287020C1 (ru) | 2006-11-10 |
Family
ID=37500806
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005111488/02A RU2287020C1 (ru) | 2005-04-18 | 2005-04-18 | Способ упрочнения поверхности металлических изделий |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2287020C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2492831A (en) * | 2011-07-14 | 2013-01-16 | Hkpb Scient Ltd | Workpiece surface modification during ultrasonic peening |
| RU2530680C2 (ru) * | 2013-01-09 | 2014-10-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет" (ВолгГАСУ) | Устройство для упрочнения поверхности металлических изделий |
-
2005
- 2005-04-18 RU RU2005111488/02A patent/RU2287020C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2492831A (en) * | 2011-07-14 | 2013-01-16 | Hkpb Scient Ltd | Workpiece surface modification during ultrasonic peening |
| RU2530680C2 (ru) * | 2013-01-09 | 2014-10-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет" (ВолгГАСУ) | Устройство для упрочнения поверхности металлических изделий |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101237915B1 (ko) | 강재 제품의 쇼트 피닝 처리법 | |
| Sharma et al. | Experimental investigations into ultrasonic-assisted abrasive flow machining (UAAFM) process | |
| Wang et al. | Vibratory finishing co-simulation based on ADAMS-EDEM with experimental validation | |
| RU2507055C2 (ru) | Способ ультразвуковой дробеструйной обработки деталей газотурбинных двигателей | |
| Dragobetskii et al. | Application of explosion treatment methods for production items of powder materials | |
| Sangid et al. | Process characterization of vibrostrengthening and application to fatigue enhancement of aluminum aerospace components—part II: Process visualization and modeling | |
| RU2287020C1 (ru) | Способ упрочнения поверхности металлических изделий | |
| Valerga Puerta et al. | On improving the surface finish of 3D printing polylactic acid parts by corundum blasting | |
| KR102173928B1 (ko) | 금속 제품의 표면 처리 방법 및 금속 제품 | |
| Toh | The use of ultrasonic cavitation peening to improve micro-burr-free surfaces | |
| Khan et al. | Effect of ultrasonic nanocrystal surface modification on the characteristics of AISI 310 stainless steel up to very high cycle fatigue | |
| Gallitelli et al. | Comparison between conventional shot peening (SP) and surface mechanical attrition treatment (SMAT) on a titanium alloy | |
| Wang et al. | Rotary ultrasonic-assisted abrasive flow finishing and its fundamental performance in Al6061 machining | |
| Zhu et al. | Evaluation of an ultrasound-aided deep rolling process for anti-fatigue applications | |
| WO2016027207A1 (en) | A method of hardening die surfaces | |
| Kam et al. | Experimental and statistical investigation of surface roughness and vibration during finish turning of AISI 4140 steel workpiece under cooling method | |
| Mannens et al. | Energy-dependent surface integrity of stainless steel AISI 304 after robot-based machine hammer peening | |
| Singh et al. | Effect of process parameters on micro hardness of mild steel processed by surface grinding process | |
| SU1765207A1 (ru) | Способ упрочнени поверхности металлических изделий | |
| Ugurlu et al. | Improvement of surface roughness using ANOVA for AZ31B magnesium alloy with ball burnishing process | |
| Harada et al. | Effect of microshot peening on fatigue life of spring steel SUP9 | |
| Buldum | Investigation of surface roughness and microhardness in ball burnishing process of AZ31B magnesium alloy | |
| Grum et al. | Investigation of sound phenomena during quenching process | |
| Prasomthong et al. | The Optimization of Sheet Forming on Residual Stress and Surface Roughness with Two Point Incremental Forming Process (TPIF) of Aluminum Alloy Parts | |
| Liang et al. | Comprehensive evaluation of welding quality for butt-welded by means of CO 2 arc vibratory welding |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070419 |