RU2460628C1 - Способ наноструктурирующего упрочнения поверхностного слоя прецизионных деталей выглаживанием - Google Patents
Способ наноструктурирующего упрочнения поверхностного слоя прецизионных деталей выглаживанием Download PDFInfo
- Publication number
- RU2460628C1 RU2460628C1 RU2011104891/02A RU2011104891A RU2460628C1 RU 2460628 C1 RU2460628 C1 RU 2460628C1 RU 2011104891/02 A RU2011104891/02 A RU 2011104891/02A RU 2011104891 A RU2011104891 A RU 2011104891A RU 2460628 C1 RU2460628 C1 RU 2460628C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- smoothing
- indenter
- broaching
- surface layer
- hardening
- Prior art date
Links
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области технологии машиностроения, а именно к финишной обработке деталей с созданием на них наноструктурированного поверхностного слоя. Осуществляют многократное выглаживание поверхности инструментом со сферическим индентором с силой выглаживания, обеспечивающей глубину внедрения индентора в обрабатываемую поверхность h=(1,5-2)Rmax, где Rmax - наибольшая высота профиля поверхности детали до выглаживания. Используют индентор, изготовленный из мелкодисперсного кубического нитрида бора. В результате обеспечивается повышение твердости поверхностей деталей, а также и их износостойкости. 1 пр.
Description
Изобретение относится к области технологии машиностроения, а именно к финишной обработке деталей на металлорежущих станках, и может быть использовано для кратного повышения эксплуатационных свойств функциональных поверхностей прецизионных деталей многопроходным выглаживанием за счет создания наноструктурированного слоя.
Упрочнение поверхностных слоев и нанесение упрочняющих и защитных покрытий широко применяется в современном машиностроении. Разработаны принципиально новые методы поверхностного упрочнения: наноструктурирование поверхностных слоев и нанесение наноструктурных покрытий (Наноструктурирование поверхностных слоев конструкционных материалов и нанесение наноструктурных покрытий. Панин В.Е., Сергеев В.П., Панин А.В. - Томск. Издательство Томского политехнического университета. 2008. С.228-269).
Так, для формирования наноструктур в поверхностном слое металлов и сплавов, керамических материалов применяют воздействие высококонцентрированных потоков энергии, таких как бомбардировка высокоэнергетическими пучками ионов и ионных комплексов, облучение импульсными лазерами и электронными пучками, поверхностная ударная и финишная обработка ультразвуком, электроимпульсная обработка и т.п.
Также для нанесения наноструктурных покрытий на детали машин и инструмент широко используют такие методы, как вакуумное магнетронное и дуговое напыление, катодное ионное распыление и т.д. (Наноструктурирование поверхностных слоев конструкционных материалов и нанесение наноструктурных покрытий. Панин В.Е., Сергеев В.П., Панин А.В. - Томск. Издательство Томского политехнического университета. 2008. С.3-4).
Для инструментов и деталей машин, изготовленных из твердых сплавов, наиболее широко применяются износостойкие покрытия, в т.ч. нанокомпозитные, нанесенные методами химического осаждения из газовой фазы. Для осуществления этих методов разработаны специальные установки.
Для получения наноструктурных материалов применяют три основных технологических метода: порошковая технология, интенсивная пластическая деформация, контролируемая кристаллизация из аморфного состояния и химическая технология. Метод интенсивной пластической деформации заключается в деформировании с большими степенями деформации при относительно низких температурах (ниже (0,3-0,4)Тпл) в условиях высоких приложенных давлений (Физическое материаловедение наноструктурных материалов. В.А.Поздняков. Учебное пособие. - М.: Издательство МГИУ. 2007. С.346).
Для большинства объемных материалов высокой твердости характерно большое значение модуля упругости Е, поэтому такие материалы являются хрупкими. Для оценки стойкости материала к упругой деформации разрушения используют величину отношения поверхностной твердости к модулю упругости Н/Е, называемую также индексом пластичности материала, а для оценки сопротивления материала пластической деформации применяется отношение Н3/E2 (Leyland A., Mathews A. Optimization of nanostructured tribological Coatings // Nanostructured Coatings, NEW York: Springer, 2007. P.511-538). Применительно к изделиям, подверженным трению и износу, для повышения стойкости к пластической деформации разрушения и уменьшения пластической деформации, материал поверхностного слоя должен обладать высокой твердостью при низком модуле упругости. Одним из способов получения материалов с высокими соотношениями Н/Е и Н3/Е2, соответствующими более высокой износостойкости, является создание наноструктурных покрытий и поверхностей. При этом особенностью твердых наноструктурных покрытий является то, что помимо высокой твердости эти материалы обладают высокой прочностью, что характеризуется параметром, связанным с упругим восстановлением свойств We, достигающим порядка 90% (Свойства нанопокрытия, наносимого при плазменном финишном упрочнении. П.А.Тополянский, Н.А.Соснин, С.А.Ермаков, А.П.Тополянский. Журнал «Станочный парк», №11(77), 2010, с.21).
Указанные выше способы предназначены для упрочнения поверхности путем формирования наноструктурированного слоя на обрабатываемой поверхности детали, но они очень сложны по технологии и требуют использования специального оборудования, что исключает применение указанных способов при многоцелевой обработке высокоточных деталей.
Наиболее близким способом, предназначенным для упрочнения поверхности, является алмазное выглаживание, заключающееся в скольжении индентора по поверхности заготовки с установленными нагрузкой и скоростью. Алмазное выглаживание обладает существенными преимуществами: высокая производительность, простота инструмента, возможность осуществления процесса на станках с ЧПУ, уменьшение в несколько раз шероховатости поверхности и улучшение физико-механических свойств поверхностного слоя (Финишная обработка деталей алмазным выглаживанием и вибровыглаживанием. Л.Г.Одинцов, М.: Машиностроение, - 1981 г., стр.3).
Пластическая деформация при алмазном выглаживании упрочняет поверхностный слой металла: увеличивает твердость, предел упругости и предел текучести. При назначении типовых режимов алмазного выглаживания упрочнение поверхностного слоя определяется видом и степенью изменения кристаллической структуры металла. При обработке деталей выглаживанием в зависимости от свойств материала обрабатываемой поверхности выбирают силу выглаживания, величину радиуса инструмента, количество рабочих ходов, скорость выглаживания. Силу выглаживания, как правило, назначают не более 200-250 Н для деталей из высокопрочных материалов и не более 100-150 Н для материалов средней твердости. Алмазное выглаживание обычно проводят на скоростях 30-120 м/мин с применением СОТС (смазочно-охлаждающей технологической среды) для охлаждения зон контактной поверхности и инструмента. При алмазном выглаживании, как правило, назначают один рабочий ход (Финишная обработка деталей алмазным выглаживанием и вибровыглаживанием. Л.Г.Одинцов, М.: Машиностроение, - 1981 г., стр.13, стр.14, стр.15, стр.17).
Кратное повышение физико-механических характеристик металла при современных высокоинтенсивных методах деформационного упрочнения поверхности достигается за счет перевода структуры поверхностного слоя в нанокристаллическое состояние, обеспечивающее эффективное блокирование движения дислокации границами нанозерен. Для эффективного наноструктурирующего упрочнения поверхностей материалов должны быть обеспечены условия для накопления интенсивной пластической деформации в поверхностном слое, что достигается увеличением сдвиговой компоненты деформации блоков и зерен поверхностного слоя и числа проходов обрабатывающего инструмента.
Наряду с увеличением прочностных свойств, создание сдвигонеустойчивого наноструктурированного поверхностного слоя создает условия для выхода наружу деформационных дефектов в зонах растягивающих нормальных напряжений путем смещения в мезаполосах ламелей относительно друг друга (Наноструктурирование поверхностных слоев конструкционных материалов и нанесение наноструктурных покрытий. Панин В.Е., Сергеев В.П., Панин А.В. - Томск. Издательство Томского политехнического университета. 2008. С.146-148).
Для повышения ресурса работы деталей за счет создания наноструктурированного слоя с увеличенной твердостью и пластичностью на функциональных поверхностях предлагается способ наноструктурирующего упрочнения поверхностного слоя прецизионных деталей выглаживанием, заключающийся в многократном пластическом деформировании механически обработанной заготовки инструментом со сферическим индентором при силе выглаживания Р, обеспечивающей глубину внедрения индентора в обрабатываемую поверхность h=(1,5-2)Rmax. Индентор изготовлен из мелкодисперсного кубического нитрида бора, обеспечивающего высокий коэффициент трения в контакте с обрабатываемой поверхностью, что дополнительно увеличивает сдвиговую компоненту деформации.
Глубину внедрения индентора в обрабатываемую поверхность h=(1,5-2)Rmax задают силой выглаживания. При глубине внедрения индентора h≥1,5Rmax начинается процесс формирования волны оттесненного металла. При увеличении глубины внедрения индентора h>2Rmax возможно разрушение поверхностного слоя за счет образования микротрещин, особенно на материалах с высокой твердостью. Количество проходов индентора назначают из условия достижения размеров зерен ≤100 нм в тонком поверхностном слое и обеспечения требуемой микротвердости поверхности.
Многократное контактное воздействие индентора инструмента, изготовленного из мелкодисперсного кубического нитрида бора, который обеспечивает высокий коэффициент трения в контакте с обрабатываемой поверхностью, на элементарный микрообъем материала в локализованной зоне пластической деформации обеспечивает формирование большеугловых границ за счет тангенциального сдвига, дробления и разворота кристаллов материала в поверхностном слое детали. Экструдированные мезополосы, распространяющиеся в поверхностных слоях по схеме волн заселения, способствуют однородному развитию микродеформации на протяжении всего процесса нагружения, обеспечивают наноструктурирующее упрочнение поверхностного слоя и увеличение пластичности.
Пример осуществления способа.
Металлическую заготовку из цементированной стали 20Х, закаленной до HRC 59, обрабатывали на станке с ЧПУ точением, затем проводили наноструктурирующее упрочнение поверхности детали инструментом со сферическим индентором, изготовленным из мелкодисперсного кубического нитрида бора (коэффициент трения которого по цементированной стали 20Х при трении без применения СОТС равен 0,34). Прижатый к обрабатываемой поверхности детали с силой Р=200 Н инструмент внедряется в нее на глубину h=1,7 мкм. Во внеконтактной зоне пластической деформации формируется волна пластически деформированного металла, в которой происходит ротация и сдвиг зерен и фрагментов в поверхностном слое. Высокое трение в очаге деформации обеспечивает дополнительные сдвиговые деформации и концентраторы напряжения, которые действуют в тонком поверхностном слое, формируя наноструктуру. Скорость выглаживания Vвыгл.=10 м/мин, S=0,04 мм/об. Количество проходов 8.
После наноструктурирующего упрочнения поверхности микротвердость составляет не менее HV0,05=11,78±1,0 ГПа. Кроме того, в результате пластического деформирования обрабатываемой поверхности одновременно с образованием наноструктурированного упрочненного поверхностного слоя происходит сглаживание исходных неровностей микрорельефа.
Применение предлагаемого способа обеспечивает повышение микротвердости поверхностей цементированных заготовок на 25-40% при сохранении пластичности тонкого поверхностного слоя и повышение износостойкости деталей в 2-3 раза за счет создания наноструктурированного слоя на обрабатываемой поверхности.
Claims (1)
- Способ наноструктурирующего упрочнения поверхностного слоя прецизионных деталей выглаживанием, отличающийся тем, что выглаживание производят многократно инструментом со сферическим индентором, изготовленным из мелкодисперсного кубического нитрида бора, и с силой выглаживания, обеспечивающей глубину внедрения индентора в обрабатываемую поверхность h=(1,5-2)Rmax, где Rmax - наибольшая высота профиля поверхности детали до выглаживания.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011104891/02A RU2460628C1 (ru) | 2011-02-09 | 2011-02-09 | Способ наноструктурирующего упрочнения поверхностного слоя прецизионных деталей выглаживанием |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011104891/02A RU2460628C1 (ru) | 2011-02-09 | 2011-02-09 | Способ наноструктурирующего упрочнения поверхностного слоя прецизионных деталей выглаживанием |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2460628C1 true RU2460628C1 (ru) | 2012-09-10 |
Family
ID=46938875
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011104891/02A RU2460628C1 (ru) | 2011-02-09 | 2011-02-09 | Способ наноструктурирующего упрочнения поверхностного слоя прецизионных деталей выглаживанием |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2460628C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA039122B1 (ru) * | 2019-12-11 | 2021-12-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" (ФГБОУ ВО "МГТУ им. Г.И. Носова") | Способ поверхностной обработки тел вращения |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU329760A1 (ru) * | 1970-01-04 | 1977-11-05 | Ордена Трудового Красного Знамени Институт Физики Высоких Давлений Ан Ссср | Способ получени поликристаллических алмазов |
SU1235705A1 (ru) * | 1983-05-30 | 1986-06-07 | Dorofeev Yurij N | Устройство дл алмазного выглаживани |
WO1987000080A1 (en) * | 1985-06-24 | 1987-01-15 | Sii Megadiamond, Inc. | Method and apparatus for burnishing diamond and cubic boron nitride and the products thereof |
SU1303354A1 (ru) * | 1985-12-16 | 1987-04-15 | Белорусский технологический институт им.С.М.Кирова | Способ упрочнени поверхности металлических изделий |
SU1613726A1 (ru) * | 1988-07-04 | 1990-12-15 | Северо-Западный Заочный Политехнический Институт | Способ получени антифрикционной поверхности |
-
2011
- 2011-02-09 RU RU2011104891/02A patent/RU2460628C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU329760A1 (ru) * | 1970-01-04 | 1977-11-05 | Ордена Трудового Красного Знамени Институт Физики Высоких Давлений Ан Ссср | Способ получени поликристаллических алмазов |
SU1235705A1 (ru) * | 1983-05-30 | 1986-06-07 | Dorofeev Yurij N | Устройство дл алмазного выглаживани |
WO1987000080A1 (en) * | 1985-06-24 | 1987-01-15 | Sii Megadiamond, Inc. | Method and apparatus for burnishing diamond and cubic boron nitride and the products thereof |
SU1303354A1 (ru) * | 1985-12-16 | 1987-04-15 | Белорусский технологический институт им.С.М.Кирова | Способ упрочнени поверхности металлических изделий |
SU1613726A1 (ru) * | 1988-07-04 | 1990-12-15 | Северо-Западный Заочный Политехнический Институт | Способ получени антифрикционной поверхности |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA039122B1 (ru) * | 2019-12-11 | 2021-12-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" (ФГБОУ ВО "МГТУ им. Г.И. Носова") | Способ поверхностной обработки тел вращения |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zhang et al. | Improving dry machining performance of TiAlN hard-coated tools through combined technology of femtosecond laser-textures and WS2 soft-coatings | |
Pu et al. | Enhanced surface integrity of AZ31B Mg alloy by cryogenic machining towards improved functional performance of machined components | |
Dhar et al. | The influence of cryogenic cooling on tool wear, dimensional accuracy and surface finish in turning AISI 1040 and E4340C steels | |
Oyelola et al. | On the machinability of directed energy deposited Ti6Al4V | |
Nemat et al. | An investigation of the surface topography of ball burnished mild steel and aluminium | |
Varela et al. | Surface integrity in hard machining of 300 M steel: effect of cutting-edge geometry on machining induced residual stresses | |
Breidenstein et al. | Significance of residual stress in PVD-coated carbide cutting tools | |
Hassan et al. | Further improvements in some properties of shot peened components using the burnishing process | |
US8205530B2 (en) | Processes for improving tool life and surface finish in high speed machining | |
Courbon et al. | Near surface transformations of stainless steel cold spray and laser cladding deposits after turning and ball-burnishing | |
WO2017169303A1 (ja) | 機械加工工具の刃先部構造及びその表面処理方法 | |
Habak et al. | An experimental study of the effect of high-pressure water jet assisted turning (HPWJAT) on the surface integrity | |
RU2354715C1 (ru) | Способ упрочнения деталей из конструкционных материалов | |
Mishra et al. | Physical characterization and wear behavior of laser processed and PVD coated WC/Co in dry sliding and dry turning processes | |
An et al. | Study of the surface nanocrystallization induced by the esonix ultrasonic impact treatment on the near-surface of 2024-T351 aluminum alloy | |
Yang et al. | Surface layer modifications in Co-Cr-Mo biomedical alloy from cryogenic burnishing | |
Cheng et al. | Research status of the influence of machining processes and surface modification technology on the surface integrity of bearing steel materials | |
Yin et al. | Tool wear and its effect on the surface integrity and fatigue behavior in high-speed ultrasonic peening milling of Inconel 718 | |
CN109234506B (zh) | 一种激光辅助机械喷丸形成梯度纳米结构的复合方法 | |
RU2460628C1 (ru) | Способ наноструктурирующего упрочнения поверхностного слоя прецизионных деталей выглаживанием | |
Rausch et al. | Influence of machine hammer peening on the tribological behavior and the residual stresses of wear resistant thermally sprayed coatings | |
Ibrahim et al. | Study the influence of a new ball burnishing technique on the surface roughness of AISI 1018 low carbon steel | |
Herrmann et al. | Forming without Lubricant–Functionalized Tool Surfaces for Dry Forming Applications | |
RU2458777C2 (ru) | Способ упрочняющей обработки поверхностей деталей выглаживанием | |
Teicher et al. | Laser Structuring with DLIP technology of tungsten carbide with different binder content |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200210 |