RU2753807C1

RU2753807C1 - Method for surface plastic deformation of cylindrical parts

Info

Publication number: RU2753807C1
Application number: RU2021102252A
Authority: RU
Inventors: Семен Азикович Зайдес; Минь Куан Хо
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2021-08-23

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to methods for surface plastic deformation of the outer cylindrical surfaces of machine parts. Rotary motion about its own longitudinal axis is imparted to the workpiece. The tool, which exerts pressure on the surface of the workpiece to be processed, is reported to have a longitudinal feed parallel to the workpiece axis and an oscillatory movement in a direction perpendicular to the workpiece axis. The deforming element of the said tool are two flat half-rings with a parting plane perpendicular to the longitudinal axis of the workpiece, located on the end surface of a spring-loaded disk with a working surface of the rounding. The disc is pivotally connected to one side of the rocker arm, which rests on the articulated fixed support and oscillates at an angle greater than zero and less than 90 degrees.

EFFECT: increased stress state in the deformation zone of the workpiece.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к способам отделочно-упрочняющей обработки наружных поверхностей вращения, основанных на поверхностном пластическом деформировании при использовании диска с торцевой рабочей поверхностью скругления, и предназначено для использования в различных отраслях металлообрабатывающей промышленности.SUBSTANCE: invention relates to methods of finishing and hardening treatment of external surfaces of revolution based on surface plastic deformation when using a disk with an end working surface of the rounding, and is intended for use in various branches of the metalworking industry.

Из уровня техники широко известны методы обкатывания поверхностей деталей свободно вращающимися роликами или шариками, соприкасающимися с вращающейся деталью под давлением. Недостатком известных способов является сложность точной установки оси деформирующего элемента параллельно оси детали. Если осевая линия инструмента будет ниже осевой линии заготовки, то материал при деформировании будет «набегать» на инструмент и образовать дополнительную пластическую волну, которая снижает четкость контура рисунка и снижает шероховатость поверхности. Если осевая линия инструмента будет выше оси заготовки, то возникает частичное проскальзывание в зоне контакта, уменьшается глубина пластической деформации. При вибрационном обкатывании деформирующий инструмент в виде шарика быстро изнашивается, так как претерпевает трение скольжение и работает практически одной поверхностью.Methods of rolling the surfaces of parts with freely rotating rollers or balls in contact with a rotating part under pressure are well known in the art. The disadvantage of the known methods is the complexity of the exact installation of the axis of the deforming element parallel to the axis of the part. If the centerline of the tool is below the centerline of the workpiece, then the material will "run over" the tool during deformation and form an additional plastic wave, which reduces the clarity of the pattern outline and reduces the surface roughness. If the centerline of the tool is higher than the axis of the workpiece, then partial slip occurs in the contact zone, and the depth of plastic deformation decreases. During vibrational rolling, the deforming tool in the form of a ball wears out quickly, since it undergoes sliding friction and works practically on one surface.

Известен способ обработки цилиндрических деталей (SU № 1353596, МПК В24В 39/04, опубликовано 23.11.1987), при котором поверхностное пластическое деформирование вращающейся детали осуществляют коническим роликом с постоянным радиальным усилием при сообщении ему движения подачи вдоль оси детали, при этом пластическое деформирование осуществляют с переменным удельным давлением, причем конический ролик устанавливают перпендикулярно оси обрабатываемой детали и сообщают ему дополнительное движение подачи, перпендикулярное его основному перемещению и касательное к обрабатываемой поверхности. There is a known method of processing cylindrical parts (SU No. 1353596, IPC В24В 39/04, published on 11/23/1987), in which surface plastic deformation of a rotating part is carried out by a tapered roller with a constant radial force while imparting a feed movement along the axis of the part, while plastic deformation is carried out with variable specific pressure, and the tapered roller is installed perpendicular to the axis of the workpiece and impart an additional feed motion to it, perpendicular to its main movement and tangential to the workpiece surface.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются вращательное движение заготовки вокруг своей оси, продольная подача инструмента параллельна оси заготовки, подача инструмента в касательном направлении относительно заготовки.The features of the analogue, which coincide with the essential features of the claimed device, are the rotational movement of the workpiece around its axis, the longitudinal feed of the tool is parallel to the axis of the workpiece, and the feed of the tool in the tangential direction relative to the workpiece.

Недостатком известного способа обработки является невозможность формирования на поверхности детали регулярного микрорельефа в виде пересекающихся волн заданной амплитуды и шага, а также их изменения в процессе работы.The disadvantage of the known processing method is the impossibility of forming a regular microrelief on the surface of the part in the form of intersecting waves of a given amplitude and pitch, as well as their changes during operation.

Известен способ поверхностного пластического деформирования цилиндрических деталей (SU № 2657263, МПК В24В 39/04, опубликовано 09.06.2018), при котором деформирующим элементом инструмента является пластиной с боковой рабочей поверхностью скругления, при этом инструменту дополнительно сообщают колебательное возвратно-поступательное движение в направлении перпендикулярном оси заготовки в вертикальной плоскости, касательной к поверхности заготовки.There is a known method of surface plastic deformation of cylindrical parts (SU No. 2657263, IPC В24В 39/04, published 09.06.2018), in which the deforming element of the tool is a plate with a lateral working surface of the rounding, while the tool is additionally reported to oscillate reciprocating movement in the direction perpendicular workpiece axis in a vertical plane tangential to the workpiece surface.

Указанный способ обработки является наиболее близким аналогом и может быть принят в качестве прототипа способа для осциллирующего обкатывания цилиндрических поверхностей.The specified processing method is the closest analogue and can be adopted as a prototype of the method for oscillating rolling of cylindrical surfaces.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются вращательное движение заготовки вокруг своей оси, инструменту, оказывающему давление на поверхность обрабатываемой заготовки, сообщают продольную подачу параллельную оси заготовки и колебательное движение, в направлении перпендикулярном оси заготовки. Signs of an analogue, which coincide with the essential features of the claimed device, are the rotational movement of the workpiece around its axis, the tool exerting pressure on the surface of the workpiece being processed is given a longitudinal feed parallel to the workpiece axis and an oscillatory movement in the direction perpendicular to the workpiece axis.

Недостатком известного способа упрочнения является низкая степень упрочнения и глубина наклепа, а также низкая производительность процесса, так как зона пластической деформации формируется в одной локальной области.The disadvantage of the known method of hardening is the low degree of hardening and the depth of work hardening, as well as low productivity of the process, since the plastic deformation zone is formed in one local area.

Задача заявляемого изобретения заключается в повышении эксплуатационных свойств обработанной поверхности и повышении производительности обработки при сохранении основных достоинств метода поверхностного пластического деформирования.The objective of the claimed invention is to improve the operational properties of the treated surface and increase the productivity of processing while maintaining the main advantages of the method of surface plastic deformation.

Технический результат заключается в повышении качества обрабатываемой поверхности и производительности обработки за счет использования в качестве рабочего инструмента двух полуколец с разными радиусами скругления.The technical result consists in improving the quality of the processed surface and the productivity of processing due to the use as a working tool of two half rings with different radii of rounding.

Указанный технический результат достигается тем, что способ поверхностного пластического деформирования тел вращения, при котором заготовке сообщают вращательное движение относительно собственной продольной оси, а инструменту, оказывающему давление на поверхность обрабатываемой заготовки, сообщают продольную подачу параллельную оси заготовки и колебательное движение в направлении перпендикулярном оси заготовки, согласно изобретению деформирующим элементом инструмента являются два плоских полукольца с плоскостью разъема перпендикулярной продольной оси заготовки, расположенные на торцевой поверхности подпружиненного диска с рабочей поверхностью скругления, шарнирно соединенного с одной стороны коромысла, опирающегося на шарнирно- неподвижную опору и совершающего колебательные движение под некоторым углом большим нуля и меньшим 90 градусов.The specified technical result is achieved by the fact that the method of surface plastic deformation of bodies of revolution, in which the workpiece is imparted with a rotational movement about its own longitudinal axis, and the tool, which exerts pressure on the surface of the workpiece being processed, is given a longitudinal feed parallel to the workpiece axis and an oscillatory movement in the direction perpendicular to the workpiece axis, According to the invention, the deforming element of the tool is two flat half-rings with a parting plane perpendicular to the longitudinal axis of the workpiece, located on the end surface of a spring-loaded disk with a working surface of the rounding, pivotally connected to one side of the rocker arm, resting on a hinged-fixed support and performing oscillatory motion at some angle greater than zero and less than 90 degrees.

На фиг. 1 показана конструкция рабочего инструмента, реализующего предлагаемый способ поверхностного пластического деформирования, 1 - поперечное сечение цилиндрической заготовки, 2 - диск рабочий, 3 - блок упругих элементов, 4 - корпус, 5 - болт регулировочный, 6 - ось качания, 7 - коромысло, 8 - ось. На фиг. 2 представлена схема обработки по предложенному способу поверхностного пластического деформирования заготовки-вала, 1 - заготовка, 2 - диск рабочий, 4 - корпус, 6 - ось качания, 7 - коромысло, 9 - трехкулачковый патрон, 10 - задний центр.FIG. 1 shows the design of a working tool that implements the proposed method of surface plastic deformation, 1 - a cross-section of a cylindrical workpiece, 2 - a working disk, 3 - a block of elastic elements, 4 - a body, 5 - an adjusting bolt, 6 - a swing axis, 7 - a rocker arm, 8 - axis. FIG. 2 shows a scheme of processing according to the proposed method of surface plastic deformation of the workpiece-shaft, 1 - workpiece, 2 - working disk, 4 - body, 6 - swing axis, 7 - rocker arm, 9 - three-jaw chuck, 10 - rear center.

Как видно из схемы обработки (фиг. 2) параметрами режима, определяющими кинематику процесса и все параметры регулярного микрорельефа, являются: частота вращения заготовки (n_s), подача деформирующего инструмента (S_пр), частота осцилляции деформирующего элемента (n_дв.х/мин) и амплитуда осцилляции деформирующего элемента (α). Сущность управления образованием регулярных микрорельефов состоит в том, что оно производится за счет варьирования соотношения скоростей движения заготовки и деформирующего элемента.As can be seen from the processing scheme (Fig. 2), the mode parameters that determine the kinematics of the process and all parameters of the regular microrelief are: the rotation frequency of the workpiece (n _s ), the feed of the deforming tool (S _pr ), the oscillation frequency of the deforming element (n _dv.x / min) and the amplitude of the oscillation of the deforming element (α). The essence of the control over the formation of regular microreliefs lies in the fact that it is carried out by varying the ratio of the speeds of movement of the workpiece and the deforming element.

Режимы и параметры поверхностного пластического деформирования на основе осциллирующего движения рабочего инструмента соответствуют режимам при обкатке шариком, роликом и алмазном выглаживании. Так, профильный радиус (радиус скругления диска) инструмента R составляет 2,5-5 мм, сила прижатия инструмента R при обработке 50-300 Н, частота вращения заготовки n_s = 100-1000 мин^-1, амплитуда колебания α = 10-45 градусов, подача S = 0,05-0,30 мм/об, частота двойных ходов инструмента n_дв.х =100-500 дв.х/мин.The modes and parameters of surface plastic deformation based on the oscillating movement of the working tool correspond to the modes during rolling with a ball, roller and diamond burnishing. So, the profile radius (radius of rounding of the disk) of the tool R is 2.5-5 mm, the pressing force of the tool R during machining is 50-300 N, the frequency of rotation of the workpiece is n _s = 100-1000 min ^-1 , the amplitude of oscillation is α = 10-45 degrees, feed S = 0.05-0.30 mm / rev, frequency of double strokes of the tool n _dv.x = 100-500 dv.x / min.

Выполнение инструмента в виде двух полуколец обеспечивает равномерность износа рабочей поверхности деформирующего инструмента по его длине. Это увеличивает срок его службы, так как износу подвергается не одна локальная область как при обработке шаром, а цепочка последовательных зон. Устойчивое положение зон контакта в процессе обкатывания повышает стабилизацию и точность процесса обработки.Execution of the tool in the form of two half rings ensures uniform wear of the working surface of the deforming tool along its length. This increases its service life, since not one local area is subject to wear, as when processing a ball, but a chain of successive zones. The stable position of the contact zones during the rolling process increases the stability and accuracy of the machining process.

Колебание инструмента с амплитудой α и частотой n_дв.х в вертикальном направлении вызывает колебание пятна контакта в горизонтальном направлении с такой же частотой n_дв.х, что приводит к усилению искажения микроструктуры материала за счет сдвиговых процессов в зоне деформации. Использование в качестве рабочего инструмента двух полуколец с разными профильными радиусами расширяет технические возможности процесса упрочнения. Если в направлении продольной подачи поставить полукольцо с малым радиусом скругления, а затем с большим, то сначала произойдет высокая степень наклепа, а затем сглаживание микронеровностей. Если полукольца поменять местами, то вначале произойдет выглаживание микронеровностей, а затем формирование микрорельефа на гладкой поверхности.Oscillation of the tool with amplitude α and frequency n _tw.x in the vertical direction causes the contact patch to oscillate in the horizontal direction with the same frequency n _tw.x , which leads to increased distortion of the material microstructure due to shear processes in the deformation zone. The use of two half rings with different profile radii as a working tool expands the technical capabilities of the hardening process. If, in the direction of the longitudinal feed, put a half-ring with a small radius of rounding, and then with a large one, then a high degree of work hardening will first occur, and then smoothing of microroughnesses. If the half rings are interchanged, then at first the microroughnesses will be smoothed out, and then the microrelief will form on the smooth surface.

Эффективность осциллирующего движения рабочего инструмента при упрочняющей обработке доказана экспериментально и представлена на фиг. 3. Испытание выполнены на зеренной фракции двух цветов, первоначально разделённых на две зоны с четкой границей раздела. Затем по этой границе проходил индентор с постоянным и осциллирующим движениями. Таким образом, было установлено, что использование осциллирующего движения оказывает положительное влияние на перемешивание фракций. Качественно это доказывает усиление подвижности структуры материала, рост дислокаций и повышение механических характеристик прочности материала.The efficiency of the oscillating movement of the working tool during hardening treatment has been proven experimentally and is shown in Fig. 3. The test was carried out on a grain fraction of two colors, initially divided into two zones with a clear interface. Then an indenter with constant and oscillating movements passed along this boundary. Thus, it was found that the use of an oscillating motion has a positive effect on mixing of fractions. Qualitatively, this proves an increase in the mobility of the material structure, an increase in dislocations, and an increase in the mechanical characteristics of the strength of the material.

Claims

The method of surface plastic deformation of bodies of revolution, including the message to the workpiece of a rotational movement relative to its own longitudinal axis and the message to the tool, exerting pressure on the surface of the workpiece, a longitudinal feed parallel to the axis of the workpiece, and oscillatory motion in a direction perpendicular to the axis of the workpiece, characterized in that the tool, exerting pressure on the surface of the workpiece to be processed, contains a deforming element in the form of two flat half-rings with a parting plane perpendicular to the longitudinal axis of the workpiece, which are located on the end surface of a spring-loaded disk with a working surface of the fillet, which is hingedly connected to one side of the rocker arm, resting on a hinged-fixed support and oscillating at an angle greater than zero and less than 90 degrees.