Инструмент для формирования на деталях трибосопряжений поверхностей с нанокристаллической структурой

Полезная модель относится к области технологии машиностроения, а именно к инструментам, используемым при изготовлении деталей трибосопряжений из закаленных сталей, подверженных интенсивному износу, за счет формирования наноструктурированного поверхностного слоя детали и предназначена для использования преимущественно на станках с ЧПУ и токарно-фрезерных центрах.

Инструмент для формирования высококачественных поверхностей с нанокристаллической структурой при многоцелевой обработке деталей трибосопряжений, состоящий из корпуса, индентора, пружины, резинового уплотнения, установленного на гайке, резиновой втулки, установленной в корпусе, в котором налита низкокипящая жидкость. Корпус закреплен в державке, наконечник индентора выполнен из материала с высоким коэффициентом трения.

Полезная модель относится к области технологии машиностроения, а именно к инструментам, используемым при изготовлении деталей трибосопряжений из закаленных сталей, с поверхностями, подверженными интенсивному износу, эксплуатационные свойства которых повышают за счет формирования наноструктурированного поверхностного слоя детали и предназначена для использования преимущественно на станках с ЧПУ и токарно-фрезерных центрах.

Широко применяемые устройства для финишной обработки (шлифовальные, хонинговальные), обеспечивая заданную точность и микрогеометрию, незначительно изменяют физико-механические свойства поверхностей деталей.

Известно применение прерывистых фрикционных дисков для поверхностного упрочнения металлических сплавов знакопеременным высокоскоростным трением (Евдокимов В.Д., Клименко Л.Д., Евдокимова А.Н. Технология упрочнения машиностроительных материалов: Учебное пособие-справочник. Одесса Николаев: Изд-во НГГУ им. Петра Могилы, 2005, 283 С. Рис.53).

Известен прерывистый инструмент для фрикционного поверхностного упрочнения, содержащий корпус, выполненный в виде закрепленных на ступице основного и дополнительного дисков из материала с низким коэффициентом теплопроводности и с рабочей поверхностью на их периферии с пазами на основном диске и с впадинами на дополнительном (патент RU 2241590)

Указанные устройства сложны по конструкции, имеют большие габариты, что исключает возможность их применения на токарно-фрезерных центрах.

Известен выглаживатель, состоящий из корпуса, индентора, набора тарельчатых пружин, резинового уплотнения, установленного на гайке, резиновой втулки, установленной в корпусе, в котором налита низкокипящая жидкость, которая охлаждает индентор, позволяет повысить скорость выглаживания, снизить трудоемкость процесса обработки. Резиновая втулка снижает автоколебания, возникающие при высокой скорости выглаживания (патент RU 62554).

Инструмент выглаживает поверхность скользящим индентором без значительного нагрева обрабатываемой поверхности в контактной зоне с достижением достаточно высоких параметров шероховатости поверхности и упрочнения поверхности, но не обеспечивает формирование нанокристаллов.

Конструкций инструментов, предназначенных для наноструктурирования поверхности, применяемых при обработке деталей на металлорежущих станках с ЧПУ за один установ, не обнаружено.

Для наноструктурирования поверхностного слоя деталей и уменьшения шероховатости, предлагается инструмент для формирования на деталях трибосопряжений поверхностей с нанокристаллической структурой, состоящий из державки, корпуса, индентора, наконечник которого выполнен из мелкодисперсного кубического нитрида бора, пружины, резинового уплотнения, установленного на гайке, резиновой втулки, установленной в корпусе, в котором налита низкокипящая жидкость.

Принципиальное улучшение физико-механических характеристик металла при современных методах интенсивной пластической деформации материала достигается за счет перевода структуры поверхностного слоя в нанокристаллическое состояние, обеспечивающее эффективное блокирование движения дислокации границами нанозерен. Для эффективного наноструктурирования и упрочнения металлических материалов должны быть обеспечены условия для накопления интенсивной пластической деформации в поверхностном слое, что достигается увеличением сдвиговой компоненты деформации, нормальной нагрузки и числа проходов обрабатывающего инструмента.

Причинно-следственная связь - воздействие индентора инструмента, выполненного из мелкодисперсного кубического нитрида бора обеспечивает тангенциальный сдвиг, дробление и разворот кристаллов материала в поверхностном слое детали за счет высокого контактного давления и увеличения тангенциальной силы, при этом коэффициент трения в контакте с обрабатываемой поверхностью заготовки из цементированной стали 20Х равен 0,34. Экструдированные мезополосы, распространяющиеся в поверхностных слоях по схеме волн заселения, способствуют однородному развитию микродеформации на протяжении всего процесса нагружения, обеспечивают наноструктурирующее упрочнение поверхностного слоя с увеличением пластичности. Низкокипящая жидкость в корпусе значительно сокращает нагрев обрабатываемой поверхности в зоне контакта. Закрепление корпуса в державке позволяет устанавливать инструмент на станках с ЧПУ и токарно-фрезерных центрах.

На фиг.1 изображен инструмент для формирования высококачественных поверхностей с нанокристаллической структурой при многоцелевой обработке деталей трибосопряжений, на фиг.2 - сканирующая микроскопия поперечного шлифа поверхностного слоя детали до обработки, на фиг.3 - сканирующая микроскопия поперечного шлифа поверхностного слоя детали после обработки предлагаемым инструментом.

Инструмент состоит из державки 1, в которой закреплен корпус 2, индентора 3, наконечник 4 которого выполнен из материала с высоким коэффициентом трения, пружины 5, резинового уплотнения 6, установленного на гайке 7, резиновой втулки 8, установленной в корпусе 2, в котором налита низкокипящая жидкость 9. В корпус 2 инструмента устанавливается индентор 3 с наконечником 4 и надетой на индентор резиновой втулкой 8. В корпус 2 устанавливается пружина 5 и заливается низкокипящая жидкость 9. На гайку 7 надевается резиновое уплотнение 6.

Работает инструмент следующим образом.

Ввинчиванием гайки 7 в корпус 2 поджимают пружину 5 на требуемую силу выглаживания. После касания индентором 3 обрабатываемой детали, инструмент внедряется в деталь до тех пор, пока индентор 3 упирается в корпус 2. Как только индентор 3 перестает упираться в корпус 2, он начинает полностью воспринимать силу предварительно поджатой пружины 5. При рабочем движении инструмента происходит охлаждение индентора 2 низкокипящей жидкостью 9, а резиновая втулка 8 демпфирует колебания индентора. Обрабатывали поверхность детали из закаленной цементованной стали 20Х, после точения, индентором из мелкодисперсного нитрида бора, со сферическим наконечником, радиус которого 2 мм, скорость 10 м/мин, подача 0,04 мм/об, сила выглаживания 200 Н за 2 прохода. Сформирована поверхность с нанокристаллической структурой 20-40 нм (фиг.3).

Для создания нанокристаллических структур необходимое количество проходов инструмента устанавливается в зависимости от исходной термической или химико-термической обработки материала заготовки и требуемого качества поверхности.

Применение инструмента позволяет сформировать поверхность с нанокристаллической структурой с размером зерен менее 100 нм.

Инструмент для формирования на деталях трибосопряжений поверхностей с нанокристаллической структурой, состоящий из закрепленного в державке корпуса индентора, наконечник которого выполнен из мелкодисперсного кубического нитрида бора, резинового уплотнения, установленного на гайке, резиновой втулки, установленной в корпусе, в котором налита низкокипящая жидкость.