SU1252145A1

SU1252145A1 - Ультразвуковое устройство дл упрочнени деталей

Info

Publication number: SU1252145A1
Application number: SU853841898A
Authority: SU
Inventors: Вячеслав Олегович Курганович; Алексей Васильевич Телевной; Владимир Николаевич Лукьянчиков
Original assignee: Омский политехнический институт
Priority date: 1985-01-03
Filing date: 1985-01-03
Publication date: 1986-08-23

Description

11

lljcfii L I, ii. CHTCH К машиио- стро(1гль1. л 1 ч(М1чо к упрочнению ме- тлллич гки ; , г. при одновременном ), Чс-ицитных покрытий (твермч iM,rf.)Kj с помощью энергии

yjU) ni i iiiVK MiLiA колебаний, и может быть iirii ijib-jofuufo при окончательной обработке плоских, цилиндрических и фасонных понерхностей трени т жел он а груженных деталей,

Цель изобретени - повьппение качества и произро/ ительпости за счет одчонремпиного улучшени и нанесени покрытий.

На фиг. 1 показано устройство в рабочем положении, общий вид; на фиг. 2 и 3 - рабоча камера устройства в двух сечени х; на фиг. 4 - схема монтажа устройства на серийном вертикально-фрезерном станке; на

фиг, 3 - мгпоиенна проекци рабочей камеры на обрабатываемую поверхность с рыделепныму зонами предварительного (зона I) и окончательного (зона П) воздействи на поверхность; на фиг. 6 (а,5 , В ) микропрофили, фopмнpye ftlIe от исход}того а в зонах 1 и П ( и PI соответственно).

1(;1м-трукци ультр.- звукового уст

ройства дл упрочнени деталей (фиг. I) состоит из магнитострикци- oHHoi o преобразовател I (например, серийного IIMC 15Л-18), соединенного I- иолниводом-коицентратиром 2, пред1 ИИ i:ii ...lii i .д-Ч-чч: 1 циклический стер- 4,f «ь НО . ) . ч ,:..-рСменного сече- :гич, ( ,-; . ; ; , , I ui. го (свободного ) тс ри ю чг М ;-1-ммр снабжен вы- ачкой, г 1 едчт ч III п v l дл установки и фнк(:ации ( г и ..м Ч. Стакан 3 HLiiujjiHOH из .чл;и и iiiiivo упругого на- терис1г)а, наприпор Ьторопласта, установлен на концентратор 2 со стороны рабочего торца с нат гом и упором в торец вытачки, что герметизирует рабочую зону камеры снизу. Стакан 3 снабжен перегородкой 4, выполненной из того же материала, что и стакан, раздел ющий объем рабочей камеры на две зоны; зону предварительного деформировани и внедрени материала покрыти в обрабатываемую поверхность (фиг. 5, зона I), и зону окончательного упрочнени обрабатываемой поверхности, где про- исходит глубокое деформирование и внедрение материала покрыти (фиг, 5, зона 11). На рабочем торце концент

0

5 0

5

0

55

5

50

452

ратора внутри зоны I. свободно размещены ударные тела 5, совершающие работу по предварительной поверхности (стальные шарики малого диаметра - d). Внутри зоны II размещено одно ударное тело 6 (шар большого диаметра - D), осуществл ющее окончательное формирование обрабатываемой поверхности. Ударное тело 6 при установке плотно охватываетс перегородкой 4. Сверху рабоча камера замыкаетс поверхностью обрабатываемой детали 7, причем свободный торец стакана 3 плотно прилегает к обрабатываемой поверхности, чем обеспечиваетс герметизаци рабочей камеры сверху (при обработке цилиндрических- или фасонных поверхностей верхий торец стакана выполн ют по профилю поверхности ) , Дл этой цели стакан 3 выполн ют так, чтобы размер h, выступающий над торцом концентратора 2 части (фиг. 2), был на 0,1 - 0,3 мм больше Вщ. Дл подачи в рабочую камеру материала покрыти (например, взвеси твердой смазки в струе газа) стакан 3 снабжен соплом 8 (фиг. 1 и 3) с гибким трубопроводом, св зывающим его с бункером, гДе размещен материал покрыти (не показан). Дл обеспечени статического усили прижима Р щара 6 к обрабатываемой поверхности устройство снабжено регулируемыми пружинными нагружател ми 9, равномерно размещенными по периметру фланца.

Устройство в целом посредством специального держател 10 и фланца на кожухе преобразовател 1 устанавливают на подвижную часть серийногл металлорежущего стакана 11 (суппорт токарного или стол фрезерного), позвол ющего осуществл ть технологические движени (фиг. 4) в направлении подач S(содержащих, например, пшиль- ку, пружину и две гайки). Деталь при этом закрепп ют в приспособлении 12 (например, на планшайбе), устанавливаемом в шпинделе 13 станка.

Устройство работает следующим образом,

Магнитострикционный преобразователь 1 устанавливают в держателе 10 на подвижную часть (стол) станка I1 так, что обрабатываема деталь 7 накрывает рабочую камеру сверху (фиг. 4), Предварительно в рабочие зоны камеры помещают ударные тела 5 и 6, Размеры н количество ударных

3

тел должно соответствовать габаритам рабочей камеры и требовани м ка ества (шероховатости и глубины наклепа) обрабатываемой поверхности

Эксперименты показали, что дл обработки стальных деталей наиболее целесообразно использовать стальные шарики 2 - 4 мм, дл цветных сплавов и алюмини 1,6-3 мм, причем наибольший эффект предвари- тельного деформировани и нанесени материала покрыти (в экспериментах - тверда смазка дисульфид молидена ) на обрабатываемую поверхность достигаетс в том случае, когда рас 1сто ние h (фиг. 2) составл ет (2 - 2,5 d. Учитьша , что рассто ние h (от торца концентратора до обрабатываемой поверхности) обеспечиваетс установкой в распор по ударном телу 6, то его размер D, должен быть равен

D 2 d.

Эксперименты показали, что высокое качество обработки может быть получено лишь в том случае, когда количество ударных тел 5 в зоне I - пJ будет соответствовать размерам этой зоны (фиг. 5). Получена эмпирическа зависимость, устанавливающа св зь между площадью, этой зоны и диаметром ударных тел

п - 0,523 S,/Sj, iгде пJ - оптимальное число ударных

тел в зоне I, шт.; S, - обща площадь зоны 1; SJ - площадь проекции ударного тела 5 на плоскость.

После соответствующих преобразований формулу дл расчета оптимального числа ударных тел в зоне I

п.0,523 (Б„ -(2 ,) )/d.

После размещени ударных тел в . рабочих зонах устройство подвод т к детали 7 (за счет механизмов станка ) , обеспечива усилие поджима ударного тела 6 к поверхности детали IJ, (10-20)Н за счет сжати пружин 9. При этом концентратор 2 ори- ентируют так, что обща ось зон I и П совпадает с направлением основной подачи S (фиг. 5).Кроме этого, зона I размещаетс первой по ходу подачи S, чем обеспечиваетс требуе- ма последовательность воздействи на обрабатываемую поверхность.

Устройство подготовлено к работе.

5 ю 5 0

5 Q

5

0

5 0 5-

145 4

Включают подачу материала покрыти , питание магнитострикционного преобразовател , технологические движени элементов станка, и обработка на 1наетс ,

Подача материала покрыти в устройстве осуществл етс в герметизированную рабочую камеру через сопло 8 в струе газа, например аргона, во взвешенном состо нии (фиг. 1, по стрелке В). Сопло 8 размещено в зоне 1, но материал покрыти проникает в зону П, так как зоны друг от друга не изолированы (фиг. 2), перегородка не контактирует с торцами детали 7 и концентратора 2, зазор h,0,l d, что обеспечивает внедрение материала покрыти в обеих зонах.

Газ, вьшолн ющий роль носител материала покрыти , должен быть инертным (например,, аргон). В этом случае газ вытесн ет из рабочей камеры воздух , что преп тствует образованию окисной пленки на обрабатываемой поверхности детали и способствует пучщей адгезии материала покрыти .

Преобразование в обрабатываемой поверхности происходит в два зтапа (фиг. 6). На первом этапе поверхность подвергаетс предварительному воздействию в зоне I. Ударные тела 5 колеблютс с ультразвуковой частотой, свободно перемеща сь между поверхностью рабочего торца концентратора и поверхностью детали. Наличие стакана, выполненного из эластичного упругого материала, а также оптимальное их количество и рассто ние до обрабатываемой поверхности обеспечивают строго направленное движение шариков по отношению к обрабатываемой поверхности , минимальные потери энергии ультразвука, повышение КПД устройства . Особое значение имеют упругие свойства стакана 3 и перегородки 4. Эксперименты показали, что несмотр на строгую ориентацию торца концентратора по отношению к поверхности детали, часть свободно колеблющихс шаров движетс по траектори м, отличным от нормальных к излучающей поверхности.

Под воздействием свободно лет щих баров поверхность сглаживаетс и предварительно упрочн етс (фиг. 6 ). Удары шаров активируют поверхность и переносимый ими материал покрыти

}

14 внедр етс в микронеровности и хорошо сцепл етс с материалом детали. На втором этапе обработки в зо- не II материал детали окончательно упрочн етс на заданную глубину. При этом создаютс глубинные (4мг. 6 ) резервные объемы материала покрыти 15, которые вступают в работу при экстремальных услови х эксплуатации поверхности трени детали, что повы- тает противоэадирную стойкость детали . Воздействие на обрабатываемую поверхность в зоне П обеспечиваетс шаром 6, колеблющимс с ультразвуковой частотой, который деформирует по верхность детали, работа в распор Таким образом, практически вс энерги , подведенна к шару 6 от торца концентратора, преобразуетс в деформацию , чем объ сн етс значитель- но больша , чем от воздействи в зоне I, глубина деформации и величина упрочнени . В конечном итоге получаетс поверхность с чередующейс по заданному закону глубиной внед- рени материала покрыти и величииой упрочнени .

Определенное сочетание режимов технологических перемещений устрой- ства (фиг. 1 и 4, подачи S и S) позвол ет получить поверхность с регул рным микрорельефом (фиг. 6Ь) различных участков упрочнени (шаг

S.

Использование предлагаемого ультразвукового устройства дл упрочне1456

ИМЯ деталей обеспечивает в сравнении с известным устройством следующие преимущества: возможность совмещени процессов нанесени материала покрыти и глубокого упрочнени поверхности детали в одной технологической операции; возможность избирательной обработки поверхности детали подверженной наибольшему изнашиванию в эксплуатации; повьш1ение качества упрочнени за счет возможности управлени величиной и глубиной окончательной деформации детали, а также за счет предварительного деформировани этой поверхности; повьш1ение качества наносимого покрыти за счет активации поверхности детали при предварительном деформировании, что ведет к улучшению адгезии материала покрыти к материалу детали; повышение качества покрыти за счет выравнивани его толщины к возможности регулировани этого параметра процесса посредством управлени подачей материала смазки в струе газа} повышение КПД устройства за счет;обеспечени упор доченного движени ударных тел; экономное расхождение материала покрыти за счет герметизации рабочей камеры и возможности избирательной обработки поверхности детали; возможность реализации процесса с помощью устройства на серийном оборудовании без его. переделки; исключение возможности загр знени окружающей среды материалом покрыти .

в

ФчгЛ

.2

Вид С

3 .

Фиг.3

12

Фиг.4

0.5ol,

и/

Фиг. 5

/

Фиг. 6

Редактор А. Ворович

Составитель С. Чукаева

Техред А.Кравчук Корректор А.Т ско

Заказ А572/17Тир аж 740Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушска наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предпри тие, г. Ужгород, ул. Проектна , 4

Claims

УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРОЧНЁНИЯ ДЕТАЛЕЙ, содержащее преобразователь, соединенный с волноводом, и рабочую камеру, выполненную в виде стакана, заполненного рабочими шарами и расположенную соосно с волноводом, отличающееся тем, что, с целью повышения качества обработки и производительности путемодновременного упрочнения и нанесения покрытия, оно снабжено механизмом подачи покрытия, связанным с рабочей камерой, причем в последней эксцентрично ее оси выполнена дополнительная рабочая камера с одним деформирующим элементом для внедрения покрытия и окончательного упрочнения, при этом последний расположен в камере с натягом, и одна из стенок дополнительной камеры является общей с основной камерой, а основная и дополнительная камеры выполнены из эластичного упругого материала, причем между размерами рабочих камер и рабочих шаров выдержаны соотношения

^507 ⁼Ц|| ⁼2 Дц, )

=0,523 [д_о ⁷ -(20_Щ+Ь )Ί /8_Ш,

где 0,04 - диаметр зоны, где производится окончательное упрочнение и внедрение материала покрытия в обрабатываемую поверхность, мм;

Д,_и - диаметр ударного тела (шара), производящего окончательное упрочнение, мм;

- диаметр ударных тел (шаров малого диаметра), производящих предварительное деформирование и внедрение материала покрытия в обрабатываемую поверхность, мм;

Ь - толщина стенки перегородки, мм;

ϋ внутренний диаметр стакана, мм;

- оптимальное количество ударных тел, производящих предварительное деформирование, шт.
5Ц ,,,1252145

¹ '2 ι
ΐ3ΐ'ϋι·Ί'ΐ !·ιΐ|! · ,!,1||>гцтся к машиностроению. л именно к упрочнению металяичегкиу ;р'гп'г«й при одновременном наш ι,·.ίΊΐιΐί| защитных покрытий (тверич:· <мачок) с помощью энергии упыратвекчвыл колебаний, и может быть использовано при окончательной обработке плоских, цилиндрических и фасонных поверхностей трения тяжел он а груженных деталей.

Цель изобретения - повышение качества и производительности за счет одновременного улучшения и нанесения покрытий.

На фиг. 1 показано устройство в рабочем положении, общий вид; на фиг. 2 и 3 - рабочая камера устройства в двух сечениях; на фиг.
4 - схема монтажа устройства на серийном вертикально-фрезерном станке; на фиг,
5 - мгновенная проекция рабочей камеры на обрабатываемую поверхность с выделенными зонами предварительного (зона I) и окончательного (зона П) воздействия на поверхность; на фиг.
6 (α,δ , В ) - микропрофили, формируемые от исходного а в зонах 1 и И (д и В соответственно).

Конструкция ультразвукового устройства для упрочнения деталей (фиг. 1) состоит из магнитострикционного преобразователя I (например, серийного ПМС 15Л-18), соединенного с волноводом-концентратором 2, пред1 ,ц; |ап ...ΙΗ1 ,.τί,οη ме ι аллический стер».Ш1, нос· ·,ι·ΐ!*:’·. π переменного сечелич, ('> о , ч. ι о (свободного) торца )о>'!Г"ц ι ;-·ι гор ? снабжен вытачкой, предп1 ή "и, и· л, для установки и фиксации · ι· о..·ί.·’ 3. Стакан 3 выполнен из зл;и ή оно о упругого материала, например¹ Фторопласта, установлен на концентратор 2 со стороны рабочего торца с натягом и упором в торец вытачки, что герметизирует рабочую зону камеры снизу. Стакан 3 снабжен перегородкой 4, выполненной из того же материала, что и стакан, разделяющий объем рабочей камеры на две зоны: зону предварительного деформирования и внедрения материала покрытия в обрабатываемую поверхность (фиг. 5, зона I), и зону окончательного упрочнения обрабатываемой поверхности, где происходит глубокое деформирование и внедрение материала покрытия (фиг, 5, зона 11). На рабочем торце концент45 2

ратора внутри зоны I свободно размещены ударные тела 5, совершающие работу по предварительной поверхности (стальные шарики малого диаметра - ά_ω). Внутри зоны И размещено одно ударноз тело 6 (шар большого диаметра - 0_ш), осуществляющее окончательное формирование обрабатываемой поверхности. Ударное тело 6 при установке плотно охватывается перегородкой 4, Сверху рабочая камера^замыкается поверхностью обрабатываемой детали
7, причем свободный торец стакана 3 плотно прилегает к обрабатываемой поверхности, чем обеспечивается герметизация рабочей камеры сверху (при обработке цилиндрических· или фасонных поверхностей верхий торец стакана выполняют по профилю поверхности) . Для этой цели стакан 3 выполняют так, чтобы размер Ъ, выступающий над торцом концентратора 2 части (фиг. 2), был на 0,1 - 0,3 мм больше Для подачи в рабочую камеру материала покрытия (например, взвеси твердой смазки в струе газа) стакан 3 снабжен соплом 8 (фиг. 1 и 3) с гибким трубопроводом, связывающим его с бункером, где размещен материал покрытия (не показан). Для обеспечения статического усилия прижима Р_о шара 6 к обрабатываемой поверхности устройство снабжено регулируемыми пружинными нагружателями 9, равномерно размещенными по периметру фланца.

Устройство в целом посредством специального держателя 10 и фланца на кожухе преобразователя 1 устанавливают на подвижную часть серийного металлорежущего стакана 1I (суппорт токарного или стол фрезерного), позволяющего осуществлять технологические движения (фиг. 4) в направлении подач 8(содержащих, например, шпильку, пружину и две гайки). Деталь при этом закрепляют в приспособлении 12 (например, на планшайбе), устанавливаемом в шпинделе 13 станка.

Устройство работает следующим образом.

Магнитострикционный преобразователь 1 устанавливают в держателе 10 на подвижную часть (стол) станка I1 так, что обрабатываемая деталь 7 накрывает рабочую камеру сверху (фиг. 4). Предварительно в рабочие зоны камеры помещают ударные тела 5 и 6. Размеры и количество ударных

3 1

тел должно соответствовать габаритам рабочей камеры и требованиям качества (шероховатости и глубины наклепа) обрабатываемой поверхности.

Эксперименты показали, что для обработки стальных деталей наиболее целесообразно использовать стальные шарики 2 - 4 мм, для цветных сплавов и алюминия <3_ω 1,6 - 3 мм, причем наибольший эффект предварительного деформирования и нанесения материала покрытия (в экспериментах - твердая смазка дисульфид молиб дена) на обрабатываемую поверхность достигается в том случае, когда расстояние Ь (фиг. 2) составляет (2 2,5 Учитывая, что расстояние Н (от торца концентратора до обрабатываемой поверхности) обеспечивается установкой "в распор’’ по ударному телу 6, то его размер должен быть равен

Πω = 2 V

Эксперименты показали, что высокое качество обработки может быть получено лишь в том случае, когда количество ударных тел 5 в зоне I η будет соответствовать размерам этой зоны (фиг. 5). Получена эмпирическая зависимость, устанавливающая связь между площадью этой зоны и диаметром ударных тел

п_а = 0,523 5,/5₀,

где - оптимальное число ударных тел в зоне I, шт,;
8, - общая площадь зоны I;

8 - площадь проекции ударного

тела 5 на плоскость.

После соответствующих преобразований получают формулу для расчета оптимального числа ударных тел в зоне I

η^=Ο,523 (ϋ_ο -(2 д_ш+Ь,)

После размещения ударных тел в . рабочих зонах устройство подводят к детали 7 (за счет механизмов станка) , обеспечивая усилие поджима ударного тела 6 к поверхности детали Ιζ * (10-20)Н за счет сжатия пружин 9. При этом концентратор 2 ориентируют так, что общая ось зон X и II совпадает с направлением основной подачи 8 (фиг. 5).Кроме этого, зона I размещается первой по ходу подачи 8, чем обеспечивается требуемая последовательность воздействия на обрабатываемую поверхность.

Устройство подготовлено к работе.

145 4

Включают подачу материала покрытия, питание магнитострикционного преобразователя, технологические движения элементов станка, и обработка на¹ тнается»

Подача материала покрытия в устройстве осуществляется в герметизированную рабочую камеру через сопло 8 в струе газа, например аргона, во взвешенном состоянии (фиг. 1, по стрелке В). Сопло 8 размещено в зоне I, но материал покрытия проникает в зону II, так как зоны друг от друга не изолированы (фиг. 2), перегородка не контактирует с торцами детали 7 и концентратора 2, зазор Η_Λ“0,1 что обеспечивает внедрение материала покрытия в обеих зонах.

Газ, выполняющий роль носителя материала покрытия, должен быть инертным (например,, аргон). В этом случае газ вытесняет из рабочей камеры воздух, что препятствует образованию окисной пленки на обрабатываемой поверхности детали и способствует лучшей адгезии материала покрытия.

Преобразование в обрабатываемой поверхности происходит в два этапа (фиг. 6). На первом этапе поверхность подвергается предварительному воздействию в зоне X. Ударные тела 5 колеблются с ультразвуковой частотой, свободно перемещаясь между поверхностью рабочего торца концентратора и поверхностью детали. Наличие стакана, выполненного из эластичного упругого материала, а также оптимальное их количество и расстояние до обрабатываемой поверхности обеспечивают строго направленное движение шариков по отношению к обрабатываемой поверхности, минимальные потери энергии ультразвука, повышение КПД устройства. Особое значение имеют упругие свойства стагана 3 и перегородки 4, Эксперименты показали, что несмотря на строгую ориентацию торца концентратора по отношению к поверхности детали, часть свободно колеблющихся шаров движется по траекториям, отличным от нормальных к излучающей поверхности.

Под воздействием свободно летящих

баров поверхность сглаживается и

предварительно упрочняется (фиг. 6 ).

Удары шаров активируют поверхность

и переносимый ими материал покрытия

} 1252

14 внедряется в микронеровности и хорошо сцепляется с материалом детали.

На втором этапе обработки в зоне II материал детали окончательно упрочняется на заданную глубину. При этом создаются глубинные (4мг. 6 ) резервные объемы материала покрытия 15, которые вступают в работу при экстремальных условиях эксплуатации поверхности трения детали, что повы- ю тает противозадирную стойкость детали. Воздействие на обрабатываемую поверхность в зоне И обеспечивается шаром 6, колеблющимся с ультразвуковой частотой, который деформирует поверхность детали, работая· "в распор”. Таким образом, практически вся энергия , подведенная к шару 6 от торца концентратора, преобразуется в деформацию, чем объясняется значитель- 20 но большая, чем от воздействия в зоне Т, глубина деформации и величина упрочнения. В конечном итоге получается поверхность с чередующейся по заданному закону глубиной внед- 25 рения материала покрытия и величиной упрочнения.

Определенное сочетание режимов технологических перемещений устрой- до ства (фиг. 1 и 4, подачи 3 и 8^) позволяет получить поверхность с регулярным микрорельефом (фиг. 6б) различных участков упрочнения (шаг

35

Использование предлагаемого ультразвукового устройства для упрочне145 6

¹ния деталей обеспечивает в сравнении с