Лекция №13. Упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием

Упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием (ППД) применяют в основном для повышения усталостной прочности деталей. Упрочнение достигается путем снижения вредного влияния концентраторов напряжений за счет создания в поверхностных слоях детали внутренних напря­жений сжатия и измельчения кристаллической структуры.

Особенно эффективно упрочнение поверхностным наклепом для деталей, работающих в условиях циклических знакопеременных нагрузок и в коррозионных средах.

Поверхностный наклеп (ПН) представляет собой поверхностное пластиче­ское деформирование с изменением структуры материала без его полной рекри­сталлизации. Пластическая деформация приводит к измельчению зерен и уменьшению их размеров, создает текстуру.

При наклепе происходит сдвигообразование в зернах металла, упругое искажение объемов кристаллической решетки, прилегающих к линиям сдвигов, изменение формы и размеров зерен. В результате наклепа изменяются механи­ческие свойства металла: повышаются все характеристики сопротивления деформации, понижается пластичность и увеличивается твердость.

Теория дислокаций объясняет упрочнение металла при наклепе массовым развитием дислокаций и концентрацией их около линий сдвигов.

Наклеп приводит к равномерному распределению множества дислокации в деформированном объеме металла. Поэтому для последующих пластических деформаций необходимо значительно большее напряжение по сравнению с на­пряжением для деформации неупрочненного металла. В результате наклепа повышается прочность поверхностного слоя металла и возникает благоприят­ное распределение остаточных напряжений по сечению детали, при котором поверхностный слой оказывается в зоне сжатия.

Известно два метода ГШД — статическое и ударное деформирование.

Статическое ППД — это поверхностное обкатывание и раскатывание, напря­женный поверхностный наклеп, калибрование отверстий шариком и оправкой. В качестве инструмента для обкатывания используются различные шарики и ролики (рис. 6.10). При обкатывании твердость повышается на 15—20%,

Установлено, что величина остаточных сжимающих напряжений в поверх­ностном слое после наклепа может достигать более 100 кгс/мм³. Сжимающие остаточные напряжения, складываясь в процессе эксплуатации детали с растя­гивающими напряжениями от внешней нагрузки, уменьшают величину послед­них, следовательно, поверхностный слой оказывается менее нагруженным, чем в случае, когда остаточные сжимающие напряжения в нем отсутствуют. В этом заключается положительное влияние остаточных сжимающих напряжений.

Рис. 13.1- Приспособления для обкатывания поверхностей: а — трехроликовое для обкатывания цилиндрических поверхностей крупных валов (диаметром до 200 мм); б — однороликовое для обкатывания галтелей

предел усталости на 25—60%; возрастает также коррозионно-усталостная прочность стальных деталей. Для обкатывания можно использовать обычные токарные и специальные станки.

Обкатывание осуществляется перемещением под определенным давлением ролика или шарика по выпуклой или плоской поверхности детали. Примеяют упрочняющие и упрочняюще-выглаживающие режимы обкаты­вания.

При упрочняющем обкатывании, которое производят при высоких давле­ниях, достигается значительная глубина наклепа, а также создаются большие остаточные напряжения сжатия в упрочненном слое. Шероховатость поверх­ности при этом увеличивается.

Упрочняюще-выглаживающее обкатывание наряду с упрочнением поверхностного слоя обеспечивает уменьшение исходной шероховатости поверхности на 2—3 класса (можно получить 11 класс чистоты).

Результаты упрочнения зависят от правильного выбора режимов обкаты­вания (давления, подачи, скорости, числа проходов) и геометрии ролика. С увеличением давления глубина наклепанного слоя растет, остаточные напря­жения повышаются до некоторого предела, а затем снижаются вследствие чрезмерной глубины наклепанного слоя. Более высокие значения остаточных напряжений при малых давлениях обкатывания достигаются применением роликов с меньшим радиусом кривизны рабочего профиля.

Обкатывание роликами широко применяют при изготовлении различных валов бурового оборудования. Обкатывание шариками нашло применение при упрочнении роликовых беговых дорожек опоры долота. По данным Д. Д. Папшева, износ тел качения благодаря этому способу снижается на 25-40%.

Раскатывание применяют для упрочняющей обработки вогнутых поверхностей деталей из стали, чугуна и цветных металлов. Для раскатывания отверстий применяют жесткие (регулируемые и нерегулируемые) упругие раскатники (рис. 6.11). В качестве рабочего органа используются цилиндриче­ские или конические ролики и шарики. Раскатники могут быть однороликовыми и многороликовыми, однорядными и многорядными. Ролики изготовляют из быстрорежущей стали или из стали ШХ15 и закаливают до твердости HRC ' 60—63. Глубина наклепа, величина остаточных напряжений и шероховатость поверхности зависят от тех же технологических факторов, которые действуют и при накатывании. Относительная скорость раскатывания обычно колеблется в пределах 20—150 м/мин, величина подачи 0,1—2,7 мм/об, число проходов не превышает двух. В результате раскатывания чистота поверхности повышается за один проход на 2—3 класса. Раскатывание широко применяют при поверх­ностном упрочнении цилиндровых втулок буровых насосов.

Для калибрования от­верстий шариком и оправкой (ста­тическое упрочнение) используется гладкая оправка или шарик, про­талкиваемые через отверстие с натя­гом. В результате повышаются мик­ротвердость поверхности отверстия, ее чистота и точность обработки.

Калибрование отверстий выпол­няется с применением керосина для чугуна и машинного масла для стали и бронзы. Оно получило распростра­нение в ряде отраслей машинострое­ния; при изготовлении бурового оборудования оно применяется для упрочнения втулок втулочно-роликовых цепей.

Ударное ППДосуществляется следующими способами: обработкой дробью, гидроабразивной обработ­кой, центробежной обработкой, че­канкой, вибрирующим роликом.

В основе процесса обработки дробью лежит поверхностное пластическое деформирование материала под действием кинетической энергии штока дроби. Эффективность обработки дробью зависит в основном от глубины наклепанного слоя и определяется кинетической энергией дроби и длитель­ностью наклепа. Продолжительность наклепа деталей устанавливается экс­периментально и длится от нескольких секунд до нескольких минут. Толщина наклепанного слоя находится в прямой зависимости от диаметра и скорости полета дроби и в обратной зависимости от твердости материала.

Обработка дробью повышает твердость поверхностных слоев металла, предел выносливости деталей, работающих при циклических нагрузках, и коррозионно-усталостную прочность.

Дробью могут быть обработаны детали любой формы, как из черных, так и из цветных металлов, причем для стальных деталей используются чугунная или стальная дробь, а для деталей из цветных металлов — алюминиевая или стеклянная.

Виды обработки дробью различаются по способу сообщения дроби кинети­ческой энергии. На ремонтно-механических заводах обработка дробью выпол­няется на специальных механических или пневматических установках. Боль­шее распространение получили механические роторные дробеметы, как наи­более экономичные и обеспечивающие стабильность процесса.

Сущность процесса гидроабразивной обработки заклю­чается в том, что струя жидкости, содержащая абразивный материал различ­ной зернистости, выбрасывается со скоростью 50—70 м/с на обрабатываемую поверхность. При этом абразивные зерна, ударяясь о поверхность, снимают верхний слой металла, одновременно пластически деформируя нижележащие тонкие поверхностные слои. Рабочая смесь состоит из воды, электрокорунда), нитрида натрия и кальцинированной соды.

В результате гидроабразивной обработки удаляется дефектный поверхностный слой на глубину до 0,1 мм, создается наклеп на глубину до 0,2 мм, вели­чина напряжений сжатия в тонких поверхностных слоях достигает 150 кгс/мм², микрогеометрия поверхности соответствует 8—11 классам чистоты.

Предел выносливости деталей, имеющих концентраторы напряжений, после гидроабразивной обработки повышается на 15% по сравнению с преде­лом выносливости при полировании; износостойкость при трении скольжения возрастает на 25—30%. Гидроабразивную обработку применяют для пружин и зубчатых колес, а также для подготовки поверхности под гальванические полимерные покрытия.

При центробежной обработке используются кинетическая энергия стальных шариков или роликов, расположенных на периферии враща­ющейся обоймы. Шарики могут свободно перемещаться в специальных гнездах обоймы. При вращении обоймы шарики под влиянием центробежной силы незна­чительно выдвигаются из своих гнезд, при этом упрочняемая поверхность под­вергается многократным последовательным ударам. Постоянство скорости вращения и продольной подачи обеспечивает равномерный наклеп. В резуль­тате существенно возрастает твердость поверхностного слоя (до 80%), вели­чина остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях достигает .80 кгс/мм²; улучшается чистота поверхности и в 3—10 раз увеличивается долговечность деталей. Глубина наклепа, а также остаточные напряжения повыша­ются с возрастанием скорости взаимного перемещения упрочнителя и детали, при увеличении исходной шероховатости обрабатываемой поверхности, диа­метра шарика и величины выхода его из обоймы. В процессе упрочнения перио­дически через 5—10 мин обрабатываемые поверхности следует смазывать вере­тенным маслом, вазелином или индустриальным маслом в смеси с 50% керо­сина. Схема центробежной обработки вала и отверстия приведены на рис- 6.14, Центробежную обработку используют для наклепа наружных и внутренних поверхностей вращения и плоскостей.

Упрочняющая чеканка основана на ударном воздействии спе­циальных бойков на обрабатываемую поверхность. В результате ударного воздействия происходит наклеп, создаются высокие остаточные напряжения сжатия (до 100 кгс/мм²), возрастает твердость поверхностного слоя (на 30-50%). Чеканка позволяет повысить в 1,5 раза несущую способность ступенча­тых валов.

Рисунок 13.2 - Схемы центробежной обработки вала (а) и отверстия (б)

Для чеканки крупногабаритных деталей и труднодоступных мест в деталях применяют пневматические молотки. Однако такой наклеп трудно контроли­ровать. Более совершенной является станочная чеканка. Чеканочное приспо­собление закрепляют в суппорте токарного станка.

При поверхностном упрочении вибрирующим роликом при­меняют устройство, в котором сочетаются однороликовое накатное приспосо­бление и чеканочное устройство. Ролик постоянно прижимается к обрабатыва­емой поверхности пружиной. По ролику с определенной частотой наносятся удары с помощью механического или пневматического устройства. Преимуще­ства такого способа упрочнения — простота конструкции, малые габаритные размеры приспособления и большая глубина наклепанного слоя (до 20 мм). Упрочнение поверхности вибрирующим роликом позволяет повысить предел выносливости деталей, работающих при переменном изгибе, более чем в 3 раза. Обработку вибрирующим роликом широко применяют для упрочнения резьбы. В настоящее время распространен способ упрочнения — термомеханическая обработка (ТМО), сущность которого состоит в сочета­нии операций пластической деформации и термической обработки. При этой обработке фазовые превращения происходят под влиянием предваритель­ного наклепа промежуточной структуры (аустенита). Если пластическая дефор­мация аустенита производится при температуре выше температуры рекристал­лизации данного сплава, то термомеханическая обработка называется высоко­температурной (ВТМО), если деформация производится при температуре ниже температуры рекристаллизации, то обработка называется низкотемператур­ной (НТМО).

Литература: 2 осн. [48-52], 3 осн. [190-196], 5 осн. [232-237].

Контрольные вопросы:

1. Какие виды поверхностного упрочнения деталей пластической деформацией знаете?

2. Какова сущность обработки деталей дробью?

3. Какова сущность гидроабразивной обработки деталей?