PL215071B1 - Sposób modyfikowania warstwy wierzchniej powierzchni roboczych czesci maszyn - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób modyfikowania warstwy wierzchniej powierzchni roboczych części maszyn, mający zastosowanie do obróbki warstwy wierzchniej powierzchni roboczych części maszyn, a w szczególności do nakładanie powłok z cząstek mikro i nanometrycznych smarów stałych w nierówności powierzchni stempli do procesów wyciskania oraz na prowadnicach ślizgowych obrabiarek.

Modyfikowanie warstwy wierzchniej polega na podawaniu cząstek materiału obcego w obszar uderzenia młoteczka co powoduje, że wraz z mikroodkształceniem plastycznym obrabianej warstwy wierzchniej następuje adhezyjne połączeniem tych cząstek z materiałem rodzimym obrabianego przedmiotu. Podawanie cząstek obcych materiałów odbywa się przez: nakładanie w postaci past, zanurzanie w zawiesinie, nacierania, podawania z zasobnika itd.

Obecnie do modyfikacji powierzchni cząstkami obcego materiału stosuje się obróbkę powierzchniową metodami dynamicznymi, takimi jak: śrutowanie, kulowanie i bębnowanie.

Metody dynamiczne bazują na probabilistycznym rozkładzie odcisków narzędzia roboczego w postaci kulek, śrucin etc, na powierzchni obrabianej co nie gwarantuje równomiernego mikroodkształcenia powierzchni i rozkładu odkształceń. Ponadto do obróbki tej konieczne jest wprowadzenie znacznie większej ilości cząstek materiału obcego niż ilość niezbędna do nałożenia na powierzchnię obrabianą. W efekcie procesy nie gwarantują równomiernego rozkładu cząstek obcych na powierzchni obrabianej. Nie stosuje się metody młoteczkowania do modyfikowania powierzchni cząstkami obcymi. Wynika to z: zasady napędu mechanicznego (układ krzywki napędzającej sprężynę) lub pneumatycznego (siłowniki pneumatyczne) powodującej stosunkowo duże odkształcenie warstwy wierzchniej i w efekcie dużą chropowatość powierzchni na poziomie Ra=20-10 μm i stosowania dodatkowej obróbki wykańczającej (szlifowanie), a także zbyt małej energii dostarczanej młoteczkowi w obecnych mechanicznych i pneumatycznych napędach nie pozwalającej wywołać odpowiedniego nacisku jednostkowego do połączenia adhezyjnego. Istota wynalazku, którym jest sposób modyfikowania warstwy wierzchniej powierzchni roboczych części maszyn poprzez młoteczkowanie oraz nanoszenie materiału obcego, polega na tym, że powierzchnię modyfikowaną, w strefie bijaka, którym jest młoteczek o kulistej powierzchni roboczej, połączony z siłownikiem piezoelektrycznym, którego napęd wywołuje generator częstotliwościowo - napięciowy o częstotliwości zmiennej w granicach od 10 Hz do 1000 Hz i przesuwie względnym młoteczka względem obrabianego materiału wzdłuż linii oddziaływania w zakresie od 0,05 do 5,0 mm, pokrywa się warstwą materiału obcego, który, pod wpływem nacisków młoteczka, wiąże się adhezyjnie z warstwą wierzchnią powierzchni modyfikowanej.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku możliwa jest kontrolowana modyfikacja warstwy wierzchniej powierzchni roboczych części maszyn podnoszących ich właściwości mechaniczne, strukturalne i trybologiczne oraz podwyższenie ich gładkości i dokładności, co w efekcie pozwoli na wydłużenie eksploatacji tych części i wpłynie korzystnie na środowisko naturalne.

W szczególności istnieje możliwość sterowania dynamiką uderzeń siłownika piezoelektrycznego, co pozwala na kontrolę wielkości energii młoteczka wywołującego mikroodkształcenia warstwy wierzchniej, gwarantując zgniot nieprzekraczający granicznych wartości odkształcenia plastycznego krystalitów. Istotna cechą rozwiązania jest równomierny rozkład cząstek obcych na powierzchni obrabianej wynikający z synchronizowanego ruch przedmiotu obrabianego (posuw) oraz narzędzia roboczego napędzanego siłownikiem PE kontrolowanego przez generator częstotliwości (częstotliwość uderzenia, wielkość dostarczonej energii). Synchronizacja ta pozwala na stałą odległość między odciskami oraz głębokość odcisku. Rozwiązanie takie gwarantuje równomierny rozkład odcisków na jednostce powierzchni wyrobu, co przekłada się na jednorodne rozmieszczenie cząstek obcych na powierzchni obrabianej.

Dodatkowo, równomierne mikroodkształcenie na powierzchni wywołuje naprężenia ściskające w warstwie wierzchniej, a tym samym podniesienie własności mechanicznych (w tym wytrzymałości zmęczeniowej, twardości), własności trybologicznych (przez wzrost odporności na ścieranie) oraz geometrycznych (poprawa gładkości i dokładności wykonania).

Poza tym, w trakcie procesu młotkowania możliwe jest sterowanie wielkością odkształcenia lokalnego na powierzchni obrabianej, a tym samym możliwość sterowanie właściwościami mechanicznymi zróżnicowanymi na poszczególnych fragmentach obrabianej powierzchni.

Proponowane rozwiązanie jest stosunkowo proste do zastosowania w układach sterowania numerycznego.

PL 215 071 B1

Ważną zaleta proponowanego rozwiązania jest to, że ilość użytych cząstek materiału obcego potrzebnego do modyfikowania warstwy wierzchniej jest tylko nieznacznie większa od ilości niezbędnej do pokrycia powierzchni obrabianej. Ma to istotne znaczenie w przypadku materiałów drogich, lub nanomateriałów, których produkowane są nieznaczne ilości.

Przedmiot wynalazku, w przykładowym, lecz nie wyczerpującym wykonaniu przedstawiono na poniższym przykładzie wykonania, gdzie dla lepszego uwidocznienia zilustrowano rysunkiem, na którym w schemacie uwidoczniono zespół do realizacji sposobu według wynalazku.

Siłownik piezoelektryczny 1 zamocowany jest w stałej odległości od powierzchni obrabianej. Do końcówki siłownika piezoelektrycznego 1 zamocowany jest młoteczek 2 - narzędzie o zakończeniu kulistym oddziaływującym na powierzchnie obrabianą. Napęd siłownika piezoelektrycznego 1 odbywa się przez generator częstotliwościowo - napięciowy nadający ruch posuwisto-zwrotny o zadanej częstotliwości i charakterystyki krzywej wymuszenia. Parametry te pozwalają na sterowanie energią uderzenia młoteczka o powierzchnię obrabianą. Przedmiot obrabiany 3 przemieszcza się w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu młoteczka 2. Na skutek uderzenia młoteczka 2 następuje odkształcenie warstwy wierzchniej materiału obrabianego 3. Jednocześnie cząstki materiału obcego 4, stosowanego do modyfikowania warstwy wierzchniej 5, podlegają wysokiemu naciskowi lokalnemu wytworzonemu pomiędzy końcówka młoteczka 2 i warstwą wierzchnią materiału obrabianego 3, co wywołuje odkształcenie cząstek materiału obcego i wiązania adhezyjne cząstki z powierzchnią warstwy wierzchniej 5.

Modyfikowanie warstwy wierzchniej 5 roboczych części maszyn poprzez młoteczkowanie oraz nanoszenie materiału obcego, sposobem według wynalazku, realizuje się poprzez pokrycie warstwy wierzchniej 5 obrabianego elementu 3 warstwą materiału obcego 4, który, pod wpływem nacisków młoteczka 2, wiąże się adhezyjnie z warstwą wierzchnią 5 powierzchni modyfikowanej. Młoteczek 2 o kulistej powierzchni roboczej napędzany jest przez generator częstotliwościowo - napięciowy 1 o częstotliwości zmiennej w granicach od 10 Hz do 1000 Hz, przy czym młoteczek 2 przesuwa się względem obrabianego materiału wzdłuż linii oddziaływania w zakresie od 0,05 do 5,0 mm,

Wstępnie sprężony materiał o właściwościach piezoelektrycznych, poddany działaniu prądu elektrycznego, wydłuża się proporcjonalnie do wielkości przyłączonego napięcia. Szybkość wydłużenia zależy wprost od szybkości wzrastania napięcia. Można w ten sposób uzyskiwać przyspieszenie wielkości tysięcy „g”. Jest to cecha, która została wykorzystana w zastosowaniach dynamicznych, takich jak opisano w wynalazku.

Częstotliwość i siła uderzeń bijaka przymocowanego do piezoelementu zależy od napięcia, natężenia i częstotliwości prądu oraz od bezwładności układu mechanicznego bijaka. Sterowanie tymi parametrami umożliwia dostosowanie charakteru uderzeń do wymagań procesu.

Claims (1)

1. Sposób modyfikowania warstwy wierzchniej powierzchni roboczych części maszyn poprzez młoteczkowanie oraz nanoszenie materiału obcego, znamienny tym, że powierzchnię modyfikowaną (5), w strefie bijaka, którym jest młoteczek (2) o kulistej powierzchni roboczej połączony z siłownikiem piezoelektrycznym (1), którego napęd wywołuje generator częstotliwościowo - napięciowy o częstotliwości zmiennej w granicach od 10 Hz do 1000 Hz i przesuwie względnym młoteczka (2) względem obrabianego materiału (3) wzdłuż linii oddziaływania w zakresie od 0,05 do 5,0 mm, pokrywa się warstwą materiału obcego (4), który, pod wpływem nacisków młoteczka (2), wiąże się adhezyjnie z warstwą wierzchnią (5) powierzchni modyfikowanej.