PL215072B1 - Zespól do obróbki powierzchniowej warstw wierzchnich, zwlaszcza metalu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zespół do obróbki powierzchniowej warstw wierzchnich, zwłaszcza metalu, 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.

Obróbka powierzchniowa powierzchni metodami mikroodkształceń plastycznych (dogniatania) z uwagi na sposób wywarcia nacisku dzieli się na: dogniatanie statyczne i dogniatanie dynamiczne. Opisywana w zgłoszeniu metoda mieści się w metodach dynamicznych, w których siła docisku narzędzia do przedmiotu obrabianego jest zmienna w wyniku działania energii kinetycznej.

Najbliższe opisywanej metodzie są metody kulowania, śrutowania i młotkowania. Charakterystyczne dla tej grupy sposobów nagniatania jest nieciągły, krótkotrwały styk narzędzia z powierzchnią obrabianego przedmiotu. Powstałe w wyniku tego ślady pracy narzędzia są oddzielnymi względem siebie obszarami. 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. Dlatego w metodach tych wymaga się, takiej ilości śladów, aby sumaryczna powierzchnia rzutu na powierzchnie obrabianą była przynajmniej jej równa. Dla uzyskania określonej głębokości zgniotu wymaga się wielokrotnego nałożenia śladów, którego miarą jest liczba uderzeń na jednostkę powierzchni.

Powyższe metody dogniatania charakteryzuje swobodna kinematyka, co wpływa niekorzystnie na geometrie obrabianych przedmiotów.

W wyniku występuje:

- brak możliwości bezpośredniego zmniejszenia błędów geometrycznych z wyjątkiem zmian chropowatości,

- stan warstwy wierzchniej wykazuje znacznie większą różnorodność w porównaniu z metodami statycznymi,

- gładkość powierzchni jest zazwyczaj niższa niż przed procesem dogniatania

- niebezpieczeństwo uszkodzenia powierzchni przez wykruszenie się elementów roboczych w metodzie kulowania i śrutowania.

Ponadto metoda młoteczkowania charakteryzuje się ograniczoną kinematyką co ogranicza jej stosowanie do części, których powierzchnie stanowią kształty regularne.

Istota wynalazku, którym jest zespół do obróbki powierzchniowej warstw wierzchnich, zwłaszcza metalu, w postaci elementu napędzającego bijak, uderzający w powierzchnię obrabianą ruchem posuwisto - zwrotnym, znamienny tym, że bijakiem 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.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano 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. Istotną cechą rozwiązania jest równomierny rozkład śladów obróbczych 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. Zaletą rozwiązania w stosunku do wcześniejszych rozwiązań jest to, że 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).

Dodatkowo 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.

Przez zastosowanie przedstawionego rozwiązania możliwe jest kontrolowane odkształcenie plastyczne warstwy wierzchniej powierzchni roboczych części maszyn podnoszących ich właściwości

PL 215 072 B1 mechaniczne, strukturalne i trybologiczne oraz podwyższające ich gładkość i dokładność, co w efekcie pozwoli na wydłużenie eksploatacji tych części i wpłynie korzystnie na środowisko naturalne. Metoda w odróżnieniu od typowych metod młoteczkowania pozwala na poprawę gładkości powierzchni.

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

Przykłady zastosowania rozwiązania według wynalazku:

- nagniatanie powierzchni roboczych części maszyn,

- poprawa gładkości powierzchni roboczych części maszyn,

- sterowanie właściwościami nagniatanych powierzchni roboczych części maszyn z zróżnicowaniem wielkości odkształcenia warstwy wierzchniej.

Przedmiot wynalazku, w przykładowym, lecz nie ograniczającym wykonaniu uwidoczniono w schematach na rysunku.

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 odbywa się przez generator częstotliwościowo - napięciowy nadający ruch posuwisto-zwrotny o zadanej częstotliwości rzędu 10 do 1000 Hz 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 4, przy podziałce między kolejnym uderzeniami młoteczka w granicach 0,01 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. Zespół do obróbki powierzchniowej warstw wierzchnich, zwłaszcza metalu, w postaci elementu napędzającego bijak, uderzający w powierzchnię obrabianą ruchem posuwisto - zwrotnym, znamienny tym, że bijakiem 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.