Обработка металлов поверхностным пластическим деформированием
Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Лукьянов Алексей Александрович, Бобровский Игорь Николаевич, Севостьянов Алексей Сергеевич
В статье рассмотрен зарубежный опыт применения технологии обработки поверхностно-пластическим деформированием. Рассмотрены оптимальные режимы обработки. Приведены рекомендации по обработке деталей методами выглаживания и обкатывания.
Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Лукьянов Алексей Александрович, Бобровский Игорь Николаевич, Севостьянов Алексей Сергеевич
Эластогидродинамический режим трения как способ финишной обработки поверхностей изделий, исключающий выглаживание
Исследование условий формирования адсорбционного монослоя в линейном фрикционном контакте на поверхностях трения с использованием безабразивного смазочного материала
Comparison of surface layer quality and performance characteristics of parts reinforced by various methods of surface plastic deformation
REVIEW OF SURFACE PLASTIC DEFORMATION PROCESSING MODES OF METALS
In this paper, the foreign experience of application of surface plastic deformation processing technology is considered. The optimal processing modes are considered. The recommended processing modes for treatment of parts by surface plastic deformation and ball burnishing methods are given.
Текст научной работы на тему «Обзор режимов обработки металлов поверхностно-пластическим деформированием»
ОБЗОР РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ПОВЕРХНОСТНО-ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ
Лукьянов Алексей Александрович
магистрант, Тольяттинский государственный университет, РФ, г. Тольятти
университет, РФ, г. Тольятти E-mail: bobri@yandex. ru Севостьянов Алексей Сергеевич магистрант, Тольяттинский государственный университет, РФ, г. Тольятти
E-mail: sevalexey@yandex. ru
REVIEW OF SURFACE PLASTIC DEFORMATION PROCESSING MODES
undergraduate student, Togliatty State University, Russia, Togliatti
Ph.D., chief of laboratory, Togliatty State University, Russia, Togliatti
Проведение научно-исследовательской работы осуществляется при поддержке гранта Президента Российской Федерации МК-6076.2013.8.
Ключевые слова: оптимальный режим обработки; выглаживание; шероховатость; упрочнение.
Keywords: optimal processing mode; burnishing; roughness; hardening.
Качество поверхности является важным фактором, который влияет на сборку, и в целом работу механизма, эстетические показатели механизма и материала. Наиболее важным фактором, влияющим на качество поверхности, является шероховатость [1]. В машиностроении используются различные методы обработки для снижения шероховатости поверхности, такие как: шлифование, хонингование, супер-финиширование и другие методы отделки направленные на снижения шероховатости поверхности [2]. Целью данной статьи является обзор зарубежного опыта применения технологии обработки поверхностно-пластическим деформированием (ППД) для обработки различных сплавов.
Методы ППД имеют сильное влияние на шероховатость поверхности. ППД — это метод холодной обработки, при котором поверхностные неровности уменьшаются под действием силы за пределами текучести материала.
В своей работе автор В.А. Говтхам рассматривает обработку ППД легированной стали En-9 (сталь 55) [4].
На практике были установлены корреляции между следующими параметрами: шероховатость поверхности, микротвердость поверхности, частота вращения заготовки, время обработки и сила прижатия инструмента.
Так, при силе обработки в 300 Н при увеличении времени обработки с 2 до 4 минут шероховатость поверхности увеличивается, тогда как твердость уменьшается. Однако при времени обработки равном 2 минуты при возрастании силы от 300 Н до 400 Н шероховатость и твердость поверхности увеличиваются.
Автором был экспериментально определен оптимальный режим обработки стали En9: частота вращения заготовки: 500 об/мин; силы выглаживания 300 Н;
время обработки 3 мин. При этом шероховатость обработанной поверхности составляет 1,718 мкм, твердость 264,3
Авторы П.С. Камбл, В.С. Ядхав рассматривают обработку обкатыванием легированной стали En-8 [6].
Экспериментально было установлены следующие зависимости:
• При увеличении количества проходов увеличивается микротвердость, но ухудшается шероховатость;
• Максимальная твердость достигается при подаче в 0,04 мм/об;
• Твердость увеличивается с увеличением частоты вращения. Максимальная твердость достигается при частоте вращения 1125 об/мин;
• Твердость уменьшается с увеличением числа проходов. Максимальная твердость достигается при одном проходе.
Следовательно, оптимальный режим обработки ППД стали En9: частота вращения: 1125 об/мин; сила выглаживания 350 Н; время обработки: 2 мин; подача 0,04 мм/об.
При этом режиме шероховатость поверхности составляет Ra0,13 мкм, твердость увеличивается с 337 до 528 Иу.
Автор Кхалид С.Ф. исследовал влияние роликового обкатывания на механические свойства и качество поверхности легированной стали [7]. Результаты экспериментов показали, что напряжение материала было увеличено примерно на 150 МПа. Также роликовое выглаживание имеет положительное влияние на шероховатость поверхности легированной стали.
Авторами А.П. Гходаке, Р.Д. Ракхаде, А.С. Махешвари [3] выполнены исследования по обработке алюминия АД33 методом обкатывания.
На основе их работы сделан вывод, что оптимальные параметры обработки алюминия АД33: частота вращения 250—420 об/мин для ширины ролика 1 мм.
Сила выглаживания свыше 220 Н способна уменьшить шероховатость поверхности на 35 %. Ниже этого значения шероховатость не улучшается пластически. Частота вращения 110 об/мин дает самый высокий результат
увеличения твердости поверхности до 30 %. Однако увеличение силы выглаживания имеет негативное влияние на износостойкость алюминия.
Обкатывание титана Ti-6Al-4V и стали 316L (03Х16Н15М3) рассмотрено в работе авторов U.D. Gulhane1, S.B. Mishra, P.K. Mishra [5].
Материал Ti-6Al-4V: получена шероховатость Ra0,24 мкм с режимами выглаживания: Частота вращения 900 об/мин, Сила давления 1,9 МПа, диаметр шарика 12 мм, количество проходов — 2.
Материал 316L: получена шероховатость Ra0,25 мкм с режимами выглаживания: Частота вращения 900 об/мин, Сила давления 1,9 МПа, диаметр шарика 8мм, количество проходов — 2.
Шероховатость поверхности была значительно снижена, однако после обработки методом ППД титана обнаружены острые кромки, оставшиеся после лезвийной обработки. Это обуславливается высокой твердостью вкраплений в материал.
Авторы Томасз Д., Крзыстоф Д. [8] исследовали влияние параметров обкатывания на твердость нержавеющей стали X5CrNiMo17-12-2.
По результатам исследований можно сделать вывод, что твердость поверхностного слоя увеличивается с каждым проходом инструмента, хотя наибольшее увеличение твердости происходит после первого прохода. Начальная твердость материала составляла 240 HV а максимальная твердость была получена после третьего прохода роликом с радиусом при вершине 3 мм и составила 337 HV. Увеличение твердости составило 42,2 %. Наиболее эффективное упрочнение происходит у ролика с радиусом при вершине 3 мм. Это обуславливается тем, что у такого ролика наименьшая площадь контакта с поверхностью материала, следовательно, наибольшая сила давления на материал.
После анализа всех вышеперечисленных источников, полученные результаты были обобщены в таблицу оптимальных режимов обработки методами ППД (табл. 1).
На основании рассмотренных исследований можно оценить изменения в поверхностном слое в процессе выглаживания наружных цилиндрических поверхностей. Таким образом, для наилучшего эффекта упрочнения следует использовать низкую частоту вращения заготовки и радиус скругления при вершине инструмента не более 3 мм.
Свойства детали после обработки методами ППД и оптимальные режимы
Материал Предел прочности при растяжении (МПа) Предел текучести (МПа) Твердость HB Вид обработки Шероховатость Ra (мкм) Прирост твердости (%) Частота вращения заготовки (об/мин) Сила (Н) х и ч о б а во а et > о о ов х 1 С. ч а 2 s
Сталь 55 570 315 167 Выглаживание 1,718 54 500 300 2
Легированная сталь En8 380 245 270 Обкатывание 0,13 57 1125 350 1
Алюминий АД33 140 80 80 Обкатывание 0,3 30 400 220 1
Титан Ti-6Al-4V 835 380 310 Обкатывание 0,24 17 900 420 2
Сталь 316 L 500 380 179 Обкатывание 0,25 37 900 380 2
Сталь X5CrNiMo 650 430 223 Обкатывание 0,34 42 560 330 3
3. Ghodake A.P. Effect of burnishing process on behavior of engineering materials / A.P. Ghodake, R.D. Rakhade, A.S. Maheshwari // Nasik. India. 2013. — 20 p.
4. Gowtham V.A. Burnishing process on the crank-shaftmaterial using design of experiments / V.A. Gowtham, V.S. Kumar // Chennai. 2010. — 48 p.
5. Gulhanel U.D. Enhancement of surface roughness of 316L stainless steel and Ti-6Al-4V using low plasticity burnishing / U.D. Gulhane1, S.B. Mishra, P.K. Mishra // Allahabad. India. 2011. — 30 p.
6. Kamble P.S. Experimental study of Roller burnishing process on plain carrier of planetary type gear box / P.S. Kamble1, V.S. Jadhav // Maharashtra. India. 2012. — 52 p.
7. Khalid S.F. Effect of roller burnishing on the mechanical behavior and surface quality of O1 alloy steel / S.F. Khalid // Tafila. India. 2011. — 65 p.
8. Tomasz D.Y. The influence of the burnishing on technological quality of elements of part shipping machines / D.Y. Tomasz, D.V. Krzysztof // Gdynia. Poland. 2010. — 95 p.
Упрочнение и восстановление деталей пластическим деформированием
Для повышения долговечности и несущей способности транспортных деталей широко используется метод упрочнения поверхностным пластическим деформированием (ППД). ППД – это обработка деталей давлением (без снятия стружки), при которой пластически деформируется только их поверхностный слой. ППД осуществляется инструментом, деформирующие элементы (ДЭ) которого (шарики, ролики или тела иной конфигурации) взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью по схемам качения, скольжения или внедрения.
При ППД по схеме качения деформирующие элементы (как правило, ролик или шарик) прижимаются к поверхности детали с фиксированной силой Р (рис. 1, а), перемещаются относительно нее, совершая при этом вращение вокруг своей оси. В зоне локального контакта ДЭ с обрабатываемой поверхностью возникает очаг пластической деформации, который перемещается вместе с инструментом, благодаря чему поверхностный слой последовательно деформируется на глубину H (рис. 1, б), равную глубине распространения очага деформации. Размеры очага деформации зависят от технологических факторов обработки – силы Р, формы и размеров ДЭ, скорости подачи, твердости обрабатываемого материала и др.
Рис. 1. Поверхностное пластическое деформирование по схеме качения: а – вращение детали с прижатым к поверхности шариком; б – схема возникновения очага деформации
Упрочнение ППД выполняется с целью повышения сопротивления усталости и твердости поверхностного слоя металла и формирования в поверхностном слое напряжений сжатия, а также регламентированного микрорельефа. Упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием применяют на финишных операциях технологического процесса вместо или после термообработки, часто вместо абразивной или отделочной обработки. Поверхностное пластическое деформирование, выполняемое без использования внешнего тепла и обеспечивающее создание поверхностного слоя с заданным комплексом свойств, называют наклепом.
1. Наклеп
Наклёп металлов и сплавов – это изменение структуры и, соответственно, свойств металлов и сплавов, вызванное пластической деформацией при температуре ниже температуры рекристаллизации. Наклепом называется также технологический процесс создания упрочнённого состояния материала холодной поверхностной пластической деформацией. Явление наклепа объясняется накапливанием в металле части энергии деформации, которая расходуется на искажение кристаллической решётки, образование преимущественно ориентированных кристаллов, изменение дислокационных структур, а также на увеличение удельного объёма металла в слое. Наклеп может быть результатом действия внешних деформирующих сил (деформационный наклеп) или, реже, фазовых превращений (фазовый наклеп). Наклеп сопровождается увеличением прочности и твёрдости и снижением пластичности материала.
В технике наклеп используется для поверхностного упрочнения деталей. Кроме того, наклеп приводит к возникновению в поверхностном слое детали благоприятной системы остаточных напряжений, влияние которых главным образом и определяет высокий упрочняющий эффект поверхностной пластической деформации, выражающийся в повышении усталостной прочности, а иногда и износостойкости. Наклеп осуществляют специальными способами и на специальном оборудовании, например, производят обкатку цилиндрических поверхностей роликами, зубьев зубчатых колёс роликами или зубчатыми накатниками, дробеструйную обработку фасонных поверхностей, обработку ударными инструментами и др. В машиностроении существует большое число методов ППД, основанных на динамическом (ударном) воздействии инструмента на поверхность детали. В этих процессах инструмент внедряется в поверхностный слой детали перпендикулярно профилю поверхности или под некоторым углом к ней. Многочисленные удары, наносимые инструментом по детали по заданной программе или хаотично, оставляют на ней большое число локальных пластических отпечатков, которые в результате покрывают (с перекрытием или без него) всю поверхность. Размеры очага деформации зависят от материала детали, размеров и формы инструмента и от энергии удара по поверхности.
Наклеп поверхности дробеструйной обработкой осуществляется за счет кинетической энергии потока чугунной, стальной или другой дроби, который направляется, например, сжатым воздухом через сопло роторного дробемета (рис. 2).
Рис. 2. Схема роторного дробемета: 1 – изделие; 2 – корпус дробемета; 3 – дробь чугунная или стальная; 4 – ротор дробемета
Материал, используемый для дробеструйного упрочнения, может подаваться на поверхность детали дробеструйным соплом также с помощью воды или воздействием центробежных сил.
Дробеструйное упрочнение используется в автомобильной промышленности для обработки цилиндрических пружин, установленных на большинстве машин, включая листовые рессоры и торсионы. Часто дробеструйной обработке подвергаются редукторы, коробки передач, оси, валы и шатуны.
В аэрокосмической промышленности дробеструйное упрочнение стало нормативным процессом как на стадии производства, так и на стадии техобслуживания и эксплуатации для многих типов летательных аппаратов. Обычно обрабатываются следующие узлы двигателя: лопасти вентилятора, диски турбины и валы. Используется также такая разновидность дробеструйного упрочнения, как дробеструйное профилирование – для формирования профиля обшивки.
С целью увеличения производительности для дробеструйной обработки применяются камеры с системой сбора дроби (рис. 3).
Рис. 3. Схема дробеструйной камеры с системой сбора дроби
На рисунке обозначено: 1 – стальные кассеты и внутренние стены, снабжённые резиновыми занавесами для высокой износостойкости; 2 – интенсивное освещение для оптимальных условий видимости; 3 – каналы приточной вентиляции; 4 – элеватор. Транспортирует отработанную дробь вертикально к устройству подготовки дроби; 5 – блок рекуперации дроби со встроенным воздушным сепаратором. Удаляет пыль и грубые частицы из отработанной дроби; 6 – встроенные камеры вытяжной вентиляции с удалением дроби из воздушного потока; 7 – транспортирующий желоб (продольный). Для транспортирования дроби к поперечному транспортёру; 8 – приводная станция. Для автоматического возвратно-поступательного движения; 9 – фильтровальная установка для вентиляции камеры, очистки воздуха и дроби от пыли; 10 – транспортирующий желоб (поперечный). Транспортирует дробь к элеватору; 11 – дробеструйный аппарат оснащён клапаном-дозатором, смесительной камерой и дробеструйным шлангом с соплом
Преимущества дробеструйного метода:
- простота конструкции;
- концентрированный поток дроби, позволяющий обрабатывать труднодоступные участки деталей;
- возможность получения высоких скоростей полета дроби;
- простота обращения с инструментом (дробью);
- возможность сепарации дроби потоком воздуха;
- отсутствие необходимости промывания детали после упрочнения.
2. Накатка
Накатка – это процесс обработки материалов поверхностным пластическим деформированием при помощи накатывающего инструмента – роликов, зубчатых накатников, плашек. Формообразующей называется накатка резьбы, зубьев шестерен, шлицов на валах, образование шероховатой поверхности на цилиндрических головках гаек, винтов, рукоятках и других деталях машин и приборов. Упрочняющая накатка – холодная поверхностная пластическая деформация валов, осей, втулок, дисков, зубьев зубчатых колёс, плоских деталей, приводящая к повышению усталостной прочности, износостойкости поверхности.
Накатывание рифленых поверхностей
Накатка, которая делается на поверхностях, охватываемых рукой, бывает прямая (рис. 4, а) и сетчатая (рис. 4, б). Шаг
(рис. 4, в) прямойнакатки делается независимо от материала детали равным0,5…1,2 мм.
Рис. 4. Схема накатки рифленых поверхностей: а – прямая; б – сетчатая; в – шаг накатки
Шаг сетчатой накатки на деталях из латуни и алюминия делается 0,6…1,2 мм, а на стальных деталях – 0,6…1,6 мм. Чем тверже материал детали и чем больше ее диаметр, тем крупнее должен быть шаг накатки.
Рис. 5. Ролики для накатки поверхностей: а – для прямой накатки; б – с левой насечкой; в – с правой насечкой; г – угол насечки
Ролик для получения прямой накатки представлен на рис. 5, а. Для получения сетчатой накатки необходимо иметь два ролика с левой (рис. 5, б) и с правой (рис. 5, в) насечками. Диаметр роликов обычно принимается около 20…25 мм, ширина – 10 мм. Угол а между сторонами насечки (рис. 5, г) следует брать острее для накатки твердых материалов и более тупым, если материал накатываемой детали мягок (для латуни а = 90°). Ролики для накатывания изготовляются из стали марок У10А, У12А, ХВГ, 5ХНМ.
Рис. 6. Схема процесса накатки: 1 – деталь; 2 – задняя бабка станка; 3 – державка с накатным роликом
Накатка получается качественной, т. е. без выкрашивания металла, если диаметр поверхности, подготовленной под накатывание, делится без остатка на диаметр ролика. При накатке державка с роликом закрепляется в резцедержателе токарного станка (рис. 6). Деталь вращается в обычном направлении. Накатка требуемой глубины получается после нескольких проходов ролика. Чем крупнее накатка и чем тверже материал, тем больше должно быть сделано проходов. Например, накатка с шагом 1,2 мм на латунной детали может быть получена за 4…6 проходов, а на стальной детали за 6…8 проходов ролика.
Особенности процесса накатывания винтовых профилей
Процесс накатывания винтовых поверхностей представляет собой одну из разновидностей процессов поперечной накатки. Рассмотрим наиболее распространенный процесс накатывания резьбы роликами, при котором из цилиндрических заготовок образуются детали с винтовым профилем.
Рис. 7. Схема накатки резьбы роликами
Заготовку, обработанную под накатывание, устанавливают между двумя или тремя вращающимися в одном направлении инструментами, имеющими негативный профиль по отношению к профилю готовой детали (рис. 7).
Один из инструментов (роликов) подается в радиальном направлении. Таким образом, процесс накатывания поверхностей можно рассматривать как сочетание вдавливания в заготовку профиленакатных инструментов и прокатки, возникающей при вращении заготовки.
Основными особенностями происходящей при накатке пластической деформации являются:
- возможность значительных деформаций без разрушений деформируемого металла (в том числе коррозионно-стойких, жаропрочных и других специальных сталей и сплавов);
- существенное упрочнение поверхностных слоев в процессе деформации и связанное с этим повышение нагрузочной способности накатанных деталей.
Многие эксплуатационные свойства деталей машин в значительной степени обусловливаются геометрическими характеристиками микрорельефа и физико-механическим состоянием поверхностного слоя рабочих поверхностей деталей. При накатывании вследствие скольжения на контакте образуется поверхность, обладающая оптимальной шероховатостью, повышенной твердостью (наклепом), однородной микроструктурой и оптимальной текстурой прилегающих к поверхности слоев материала.
Прочность накатанного винтового профиля при статических нагрузках выше прочности профиля, обработанного резанием, примерно на 10 % при испытании на растяжение и на 20…35 % при испытании витков на срез.
Для высоконагруженных резьбовых деталей местом наибольшей концентрации напряжений являются впадины профиля. Поэтому для повышения усталостной прочности необходимо стремиться к минимальному параметру шероховатости поверхности таких участков; в этом отношении накатанный профиль обладает преимуществами перед нарезанным профилем.
Изменение физико-механических свойств поверхностного слоя металла в процессе накатывания профиля оказывает еще большее влияние на усталостную прочность деталей. Образующийся наклеп поверхностного слоя и текстура металла в значительной степени повышают циклическую прочность деталей. Этому способствуют также остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое металла.
Накатывание резьбы неприводным цилиндрическим инструментом осуществляется с помощью резьбонакатных головок и державок, устанавливаемых на суппортах универсального оборудования (рис. 8).
Рис. 8. Головки резьбонакатные: а – для внутренней резьбы; б – для наружной резьбы
Использование резьбонакатных головок и устройств расширяет область применения накатывания и обеспечивает получение этим способом точной резьбы на универсальных металлорежущих станках: токарных, токарно-револьверных, однои многошпиндельных автоматах. Применение головок и устройств позволяет получать окончательно обработанные детали, удовлетворяющие необходимым требованиям по соосности, биению и стабильности размеров резьбы, не выделяя изготовление резьбы в самостоятельную операцию.
Кроме указанных способов накатки резьбы существует еще несколько разных способов и устройств, например: накатывание плоскими плашками, накатывание инструментом типа «ролик-сегмент», а также с помощью специализированных резьбонакатных автоматов.
3. Выглаживание и дорнование
К методам поверхностного пластического деформирования, в которых деформирующие элементы (ДЭ) работают по схеме скольжения, относятся выглаживание и дорнование. Для этих процессов ДЭ должны изготавливаться из материалов, имеющих высокую твердость (алмаз, твердый сплав и т. п.) и не склонных к адгезионному схватыванию с обрабатываемым материалом.
Выглаживание заключается в пластическом деформировании обрабатываемой поверхности скользящим по ней инструментом (рис. 9).
Рис. 9. Схема деформирования поверхностного слоя при алмазном выглаживании: 1 – микронеровности исходной поверхности; 2 – наплыв; 3 – выглаживатель; 4 – поверхность после выглаживания
Неровности поверхности от предшествующей обработки после выглаживания уменьшаются или полностью исчезают. При этом уменьшение шероховатости сопровождается повышением твердости поверхностного слоя. Алмазное выглаживание применяется для ППД закаленных сталей и деталей маложестких, то есть когда невозможно применить обработку накатыванием. Недостатком выглаживания является низкая производительность и невысокая стойкость инструмента.
Дорнование (дорнирование) – вид обработки заготовок без снятия стружки. Сущность дорнования сводится к перемещению в отверстии заготовки с натягом жесткого инструмента – дорна. Размеры поперечного сечения инструмента больше размеров поперечного сечения отверстия заготовки на величину натяга. Дорнование – деформирующее протягивание, калибрование, применяется для обработки отверстий (рис. 10).
Рис. 10. Схема дорнования: 1 – изделие; 2 – дорн; s – направление подачи
Это высокопроизводительный процесс, сочетающий возможности чистовой, упрочняющей, калибрующей и формообразующей обработки. Формообразующая обработка применяется для получения на поверхности детали мелких шлицов и других рифлений. Толщина упрочненного слоя при дорновании регулируется натягом, т. е. разностью диаметров дорна и отверстия заготовки.
Дорнование подразделяют на поверхностное и объёмное. При поверхностном дорновании пластически деформируется поверхностный слой, при объёмном – пластическое деформирование происходит по всему поперечному сечению обрабатываемой детали. Поверхностное дорнование относят к методам поверхностного пластического деформирования (ППД), а объёмное дорнование к методам обработки металлов давлением (ОМД).
Инструмент для поверхностного дорнования изготавливают из твёрдых сплавов. Твёрдые сплавы, обладая рядом преимуществ, хуже воспринимают ударные и изгибные нагрузки по сравнению инструментальными и подшипниковыми сталями.
4. Осадка, обжатие, вытяжка, раздача
Осадка применяется для увеличения наружного диаметра сплошных деталей или для уменьшения внутреннего диаметра полых. При осадке диаметр детали увеличивается за счет уменьшения ее длины. Этим способом восстанавливают различные втулки при износе по наружному или внутреннему диаметру, цапфы валов, оси, клапаны двигателей внутреннего сгорания, зубчатые колеса и другие детали, имеющие поверхностный износ не более 1 % их диаметра. Осадкой увеличивают диаметр деталей типа пальцев и втулок из цветных металлов за счет некоторого уменьшения их длины.
Этим способом можно уменьшить длину деталей до 15 %, однако ответственные детали не уменьшают больше чем на 8 %. Приспособление для осадки состоит из верхней и нижней подставок и цилиндрической оправки, диаметр которой должен быть меньше окончательного диаметра отверстия примерно на 0,2 мм. После осадки под прессом отверстие втулки развертывают до требуемого размера. Небольшие по ширине цилиндрические зубчатые колеса восстанавливают в нагретом состоянии с помощью специальных штампов, которые позволяют получить небольшое утолщение зубьев и уменьшение отверстия ступицы.
Отверстие ступицы после осадки растачивают, а затем обтачивают наружные поверхности и нарезают зубья колеса. Если необходимо, производят термическую обработку зубьев на режимах, предусмотренных для новых зубчатых колес.
Вытяжка применяется для увеличения длины детали за счет местного (на небольшом участке) сужения ее поперечного сечения. Этот способ используют при ремонте тяг, штанг и др.
Раздача применяется для увеличения наружного диаметра за счет увеличения внутреннего диаметра полых деталей. Этим способом восстанавливают бронзовые втулки шестеренчатых насосов гидросистем, трубы рулевой колонки и пр. Раздачу чаще проводят в холодном состоянии, закаленные детали предварительно подвергают отпуску или отжигу. Наиболее часто этот способ применяют при восстановлении поршневых пальцев двигателей внутреннего сгорания. Изношенный палец устанавливают в специальную матрицу и раздают с помощью пуансона на прессе.
Поверхностно-пластическое деформирование (ППД)
Упрочнение поверхностного слоя металла изготовляемых деталей пластическим деформированием — один из наиболее про стых и эффективных технологических путей повышения работоспособности и надежности изделий машиностроения. В результате ППД повышаются твердость и прочность поверхностного слоя, формируются благоприятные остаточные напряжения, уменьшается параметр шероховатости Ra,увеличиваются радиусы закругления вершин, относительная опорная длина профиля и т. п.
Формирование поверхностного слоя с заданными свойствами должно обеспечиваться технологией упрочнения.
Основные способы поверхностного пластического деформирования, достигаемая точность и шероховатость поверхностей показаны на рис. 9.14.
Наиболее широко применяют способы обкатывания и раскатывания шариковыми и роликовыми обкатниками наружных и внутренних цилиндрических, плоских и фасонных поверхностей. Цилиндрические наружные, внутренние, фасонные поверхности обрабатываются, как правило, на токарных, револьверных, сверлильных и других станках; плоские поверхности – на строгальных, фрезерных станках. Примеры обкатывания и раскатывания поверхностей роликами приведены на рис. 9.15. Обычно этими способами обрабатывают достаточно жесткие детали из стали, чугуна и цветных сплавов.
На рис. 7.15, а показана схема обработки цилиндрических наружных и внутренних поверхностей, на рис. 7.15, б– плоских поверхностей и на рис. 7.15, в – фасонных поверхностей.
Качество обрабатываемой поверхности при обкатывании роликами и шариками в значительной степени зависит от режимов деформирования: силы обкатывания (или давления на ролик и шарик), подачи, скорости, числа рабочих ходов и применяемой смазочно-охлаждающей жидкости. До обкатывания и раскатывания заготовки обрабатывают точением, шлифованием и другими способами, обеспечивающими точность по 7–9-му квалитету и Ra< 1,6. 0,2 мкм. Припуск на обработку обычно рекомендуется выбирать равным 0,005–0,02 мм.
Пластическое поверхностное деформирование может быть от-делочно-упрочняющей операцией (улучшает шероховатость поверхности и упрочняет поверхностный слой), отделочно-упрочняющей и калибрующей операцией (кроме сказанного выше, повышает точность обработки); отделочно-калибрующей операцией (упрочнения не происходит).
Внутренние цилиндрические поверхности, кроме рассмотренных операций раскатывания, пластически деформируют путем прошивания и протягивания выглаживающими прошивками и протяжками (дорнование) и шариками.
Схемы обработки отверстий дорнованием приведены на рис. 7.16. Этими способами можно упрочнять, калибровать фасонные поверхности (шлицы, отверстия).Точность обработки поверхностей повышается на 30–60%, шероховатость обработанных внутренних поверхностей уменьшается. При обработке отверстий обязательным является применение смазочно-охлаждающих жидкостей. Дорнование осуществляются на протяжных станках и прессах.
Рис. 7.15. Схемы обкатывания поверхностей роликами
Наряду с изложенными выше способами широко применяют центробежное (инерционное) упрочнение. При этом используется центробежная сила шариков (роликов), свободно сидящих в радиальных отверстиях быстровращающегося диска. Схема центробежной обработки поверхности шариками показана на рис. 7.17. Шарики 2при вращении диска 3смещаются в радиальном направлении на величину h = (Rx - R),нанося многочисленные удары по заготовке 1 и пластически деформируя поверхность. Для получения поверхностей с минимальным параметром шероховатости и упрочненным слоем небольшой глубины применяют алмазное выглаживание. Процесс аналогичен обкатыванию, но инструментом служит кристалл алмаза, находящийся в специальной державке.
Рис. 7.16. Схемы дорнования отверстий: а – однозубым дорном; б – многозубым дорном; в – многозубым составным дорном
К методам пластического деформирования, упрочняющим поверхности деталей, кроме указанных на рис. 7.14, относятся: обработка дробью, гидровиброударная обработка; электромагнитное, ультразвуковое упрочнение и др.
Обработка пластическим деформированием
Обработка пластическим деформированием - это процесс механической обработки, при котором обработка металлов осуществляется без снятия стружки.
Обработка пластическим деформированием включает в себя:
- обработку без изменения формы;
Все эти методы обработки основаны на использование пластических свойств металлов, то есть на способности металлических заготовок воспринимать остаточные деформации без нарушения целостности металла. Пластическая деформация приводит к упрочнению поверхностных слоев, что повышает долговечность и износостойкость деталей.
8.2.1. Обработка без изменения формы
Обработка без изменения формы включает в себя:
- обкатывание и раскатывание поверхностей;
Рис. 94. Схемы обкатывания и раскатывания поверхностей
Обкатываниеи раскатывание отделывают и упрочняют цилиндрические, конические плоские и фасонные наружные и внутренние поверхности. Обкатывают наружные, а раскатывают внутренние поверхности (рис. 94).
Сущность этих методов состоит в том, что поверхностные слои металла, контактируя с инструментом, обладающим высокой твердостью, под давлением пластически деформируются. Давление осуществляют только в зоне контакта. Инструментом являются ролики и шарики, перемещающиеся относительно заготовки. Микронеровности сглаживаются путем смятия микровыступов и заполнение микровпадин.
Калибровка повышает точность отверстий, в результате получают поверхность высоко качества. Сущность калибровки заключается в перемещении с натягом твердого инструмента в отверстии (рис. 95). Натяг достигается тем, что размер поперечного сечения инструмента несколько больше размера поперечного сечения отверстия. Инструмент за счет твердости сглаживает неровности, исправляет погрешности предыдущей обработки, упрочняет поверхность. Простейшим инструментом служит шарик, который проталкивают штоком. Роль калибрующего инструмента может выполнять дорн, к которому прикладывают сжимающую или растягивающую силу. Заготовку обрабатывают за один или несколько ходов инструмента.
Схемы калибрования отверстий
Выглаживанием получают поверхности с малой шероховатостью при одновременном упрочнении её. Метод применяют для обработки прерывистых поверхностей или для улучшения геометрической формы деталей, при этом инструмент высокой твердости (часто, алмазный) скользит с малым коэффициентом трения по поверхности, полученной после обработки резанием, сминая микровыступы. Рабочая часть инструмента выполнена в виде полусферы, цилиндра или конуса.
Формоизменяющую обработку металлических заготовок осуществляют методом накатывания в холодном состоянии. Накаткой проводят изготовление резьб, шлицов на валах, зубчатых колес, различных по форме рифлений и клейм. При накатке волокна исходной заготовки не перерезаются, а деформируются, повторяя профиль инструмента. Это достигается различными видами инструмента, при этом заготовки имеют вид тел вращения (рис. 96).
Упрочняющую обработку применяют для увеличения сопротивления усталости детали. Метод основан на локальном ударном воздействии на обрабатываемый материал. В поверхностных слоях возникают значительные внутренние сжимающие напряжения, которые противодействуют внешним растягивающим напряжениям. Упрочнение проводят нанесением ударов по поверхности заготовки шариками, роликами и различными бойками. Но наиболее распространено дробеструйное
динамическое упрочнение: готовые детали машин подвергают ударному действию потока дроби, летящего с большой скоростью в специальных камерах. Этот метод применяют для повышения долговечности таких изделий, как рессорные листы, пружины, лопатки турбин, штампы.
Тема 10.1. Чистовая и упрочняющая обработка поверхностей вращения методами пластического деформирования (ППД)
Методы обработки без снятия стружки все больше применяют для деталей в связи с ужесточением эксплуатационных характеристик машин: высокой производительности, быстроходности, прочности, точности и др. Такой обработке подвергают предварительно подготовленные поверхности.
Если формы заготовок приблизить к формам готовых деталей, то ответственные поверхности можно обрабатывать шлифованием и затем окончательно одним из методов обработки без снятия стружки. Предоставляется возможность уменьшить количество отходов и упростить обработку.
Методы обработки основаны на использовании пластических свойств металлов, т.е. способности металлических заготовок принимать остаточные деформации без нарушения целостности металла. Отделочная обработка методами пластического деформирования сопровождается упрочнением поверхностного слоя, что очень важно для повышения надежности работы деталей. Детали становятся менее чувствительными к усталостному разрушению, повышаются их коррозионная стойкость и износостойкость сопряжений, удаляются риски и микротрещины, оставшиеся от предшествующей обработки. В ходе обработки шаровидная форма кристаллитов поверхности металла может измениться, кристаллиты сплющиваются в направлении деформации, образуется упорядоченная структура волокнистого характера. Поверхность заготовки принимает требуемые формы и размеры в результате перераспределения элементарных объемов под воздействием инструмента. Исходный объем заготовки остается постоянным.
В зоне обработки не возникает высокая температура, поэтому в поверхностных слоях фазовые превращения не происходят.
Обработку без снятия стружки выполняют на многих металлорежущих станках и установках, используя специальные инструменты. Созданы также особые станки, на которых наряду с резанием заготовки обрабатывают пластическим деформированием. Методы чистовой обработки используют для всех металлов, способных пластически деформироваться, но наиболее эффективны они для металлов с твердостью до НВ 280.
Ожидается, что эти методы все больше будут применяться для высокоточной обработки и использоваться для деталей, размеры которых будут иметь точность в долях микрометра.
Обкатывание и раскатывание поверхностей.
Обкатыванием и раскатыванием отделывают и упрочняют цилиндрические, конические, плоские и фасонные наружные и внутренние поверхности.
Рис. 10.1.1. Схемы обкатывания и раскатывания поверхностей
Сущность этих методов состоит в том, что в результате давления поверхностные слои металла, контактируя с инструментом высокой твердости, оказываются в состоянии всестороннего сжатия и пластически деформируются. Инструментом являются ролики и шарики, перемещающиеся относительно заготовки. Микронеровности обрабатываемой поверхности сглаживаются путем смятия микровыступов и заполнения микровпадин.
Обкатывают, как правило, наружные поверхности, а раскатывают внутренние цилиндрические и фасонные поверхности. При обкатывании роликами основными параметрами режима упрочнения являются давление в зоне контакта с роликом, число его проходов, подача и скорость обкатывания. Глубину деформированного слоя определяет давление.
На рис. 10.1.1. показаны распространенные схемы обкатывания и раскатывания поверхностей. К вращающейся цилиндрической заготовке подводят закаленный гладкий ролик-обкатку (рис. 10.1.1, а), который под действием рабочего давления деформирует поверхность. Движение продольной подачи позволяет обрабатывать всю заготовку. Аналогичным инструментом обрабатывают элементы заготовок, но с поперечным движением (рис. 10.1.1, б). При раскатывании ролик-раскатку закрепляют на консольной оправке (рис. 10.1.1, в). Более совершенна конструкция инструмента с несколькими роликами (рис. 10.1.1, г).
Для обеспечения значительной однородности форм микронеровностей используют разнообразные конструкции инструментов, различающихся числом и формой деформирующих частей (роликов, шариков). Наилучшие результаты обеспечивают инструменты, на которые силы передаются через упругие элементы. Этим достигаются постоянные условия обработки в любой точке обрабатываемой поверхности. Сила может регулироваться.
Для обработки поверхностей обкатыванием и раскатыванием чаще всего используют токарные или карусельные станки, применяя вместо режущего инструмента обкатки и раскатки. Суппорты обеспечивают необходимое движение подачи. Раскатки можно устанавливать в пиноли задних бабок. Глубокие отверстия раскатывают на станках для глубокого сверления.
Так как нагрев заготовок в местах контакта с инструментом незначителен, охлаждения не требуется. Для уменьшения трения используют смазывание веретенным маслом или керосином.
Обкатыванием и раскатыванием лишь в незначительной степени исправляют погрешности предшествующей обработки. Поэтому предварительная обработка заготовок должна быть точной с учетом смятия микронеровностей и изменения окончательного размера значение в достижении необходимого качества поверхностного слоя имеет давление на поверхность. Чрезмерно большое давление так же, как и большое число проходов инструмента, разрушает поверхность и может привести к отслаиванию ее отдельных участков.
Малой шероховатости поверхности и ее упрочнения можно достичь алмазным выглаживанием. Сущность этого метода состоит в том, что оставшиеся после обработки резанием неровности поверхности выглаживаются перемещающимся по ней прижатым алмазным инструментом. Алмаз, закрепленный в державке, не вращается, а скользит с весьма малым коэффициентом трения. Рабочая часть инструмента выполнена в виде полусферы, цилиндра или конуса. Чем тверже обрабатываемый материал, тем меньше радиус скругления рабочей части алмаза.
Преимущества алмазного выглаживания состоят в повышении эксплуатационных свойств обработанных поверхностей, снижении шероховатости поверхности, отсутствии переноса на обрабатываемую поверхность посторонних частиц, возможности обработки тонкостенных деталей и деталей сложной конфигурации, простоте конструкции выглаживателей.
Заготовки обрабатывают на станках токарной группы. Державку с подпружиненным наконечником с алмазом устанавливают в резцедержателе вместо резца. Движения заготовки и инструмента аналогичны движениям заготовки и инструмента при обтачивании.
Силы прижатия алмаза к обрабатываемой поверхности сравнительно малы и колеблются в интервале 50 . 300 Н. Процесс выглаживания ведут со смазыванием веретенным маслом, что примерно в 5 раз уменьшает износ алмаза по сравнению с износом при выглаживании всухую. Применение керосина или эмульсии приводит к интенсивному износу алмаза. Число проходов инструмента не должно быть более двух.
Калибровкой повышают точность отверстий и получают поверхности высокого качества. Метод характеризуется высокой производительностью.
Сущность калибровки сводится к перемещению в отверстии с натягом жесткого инструмента. Размеры поперечного сечения инструмента несколько больше размеров поперечного сечения отверстия. При этом инструмент сглаживает неровности, исправляет погрешности, упрочняет поверхность.
Простейшим инструментом служит шарик, который проталкивается штоком (рис. 10.1.2, а). Роль инструмента может выполнять также оправка-дорн (рис. 10.1.2, б), к которому прикладывается сжимающая или растягивающая (рис. 10.1.2, в) сила. Заготовки обрабатываются за один или несколько ходов инструмента.
Рис.10.1.2. Схемы калибровки отверстий
Заготовки обрабатывают с малыми либо большими натягами. В первом случае зона пластического деформирования не распространяется на всю толщину детали. Так обрабатывают толстостенные заготовки. Во втором случае зона пластического деформирования охватывает всю деталь. Этот вариант обработки используют для тонкостенных деталей, что существенно повышает их точность.
Шарики как инструмент не обеспечивают оптимальных условий деформирования и имеют малую стойкость. Калибрующие оправки выполняют одноэлементными, многоэлементными или сборными. Каждый из элементов-поясков имеет свой размер. Деформирующие элементы изготовляют из твердого сплава или стали, закаленных до высокой твердости.
В качестве смазочного материала для сталей и бронз применяют сульфофрезол, для чугунов - керосин. Разработаны специальные смазочные материалы, обеспечивающие жидкостное трение. Они снижают рабочее усилие оборудования, способствуют повышению качества поверхностных слоев, увеличивают точность обработки и стойкость инструмента.
Отверстия калибруют на прессах (рис. 10.1.2, а, б) или горизонтально-протяжных станках (рис. 10.1.2, в). Для правильного взаимного расположения инструмента и заготовки обычно применяют самоустанавливающиеся приспособления с шаровой опорой. Заготовку не закрепляют.
Читайте также: