Обработка поверхностно пластическим деформированием

     1.Анализ методов обработки деталей машин поверхностно-пластическим деформированием. 

1. Методы обработки  деталей без снятия стружки.

 

   ПОНЯТИЕ О ПОВЕРХНОСТНОМ  СЛОЕ

   При изготовлении и эксплуатации деталей  машин на их поверхностях образуются неровности и микронеровиости, а слой металла, непосредственно прилегающий к поверхности, изменяет структуру, фазовый и химический состав, в нем возникают остаточные напряжения.

   Слой  металла, имеющий отличающиеся от основной массы детали структуру, фазовый  и химический состав, называют поверхностным.

   В условиях эксплуатации поверхностный  слой детали подвергается наиболее сильному физико-химическому воздействию: механическому, тепловому, магнитоэлектрическому, световому, химическому и др. В большинстве случаев у детали начинают ухудшаться служебные свойства поверхности, например, износ, эрозия, кавитация, коррозия, усталостные трещины и другие разрушения развиваются вначале на поверхности. Поэтому к поверхностному слою предъявляются обычно более высокие требования, чем к основной массе детали.

   Дефекты поверхности — это отдельные  неровности, совокупность неровностей или участки поверхности, размеры которых существенно отличаются от параметров шероховатости и волнистости. К дефектам поверхности относят риски, царапины, вмятины, раковины, поры, сколы, выкрашивания, трещины, задиры, заусенцы и др.

   Физико-механические свойства поверхностного слоя изменяются при изготовлении деталей, а затем — во время эксплуатации под действием силовых, температурных и других факторов.

   Поверхность твердого тела по сравнению с его внутренней частью имеет ряд особенностей. Любой атом, расположенный внутри твердого тела с идеальной кристаллической решеткой, находится в состоянии подвижного устойчивого равновесия, поскольку для него по всем направлениям интенсивность силового поля одинакова. В ином положении оказываются атомы, которые находятся на поверхности: они имеют только односторонние связи — с металлом, поэтому их состояние неуравновешенное, неустойчивое; они более активны, обладают избыточной или свободной энергией по сравнению с атомами, находящимися внутри. Поверхность металла в реальных условиях адсорбирует атомы элементов окружающей среды, покрываясь слоями адсорбционных газов, паров воды, жиров и образуя различные окислы.

   В результате диффузии в поверхностном слое возникают химические и иные соединения основного металла с проникающими извне веществами. Диффузионная подвижность атомов может привести к перераспределению концентрации легирующих элементов, в результате чего в отдельных случаях в поверхностном слое уменьшается содержание некоторых легирующих элементов (обезуглероживание поверхностного слоя в сталях и снижение

количества  хрома и алюминия в жаропрочных  никелевых сплавах при высоких  температурах нагрева и др.). Диффузия через поверхность оказывает сильное влияние на свойства металлов и прежде всего — на свойства их поверхностных слоев. Это особенно характерно в тех случаях, когда температура в зоне обработки деталей высока (шлифование, скоростное точение, цементация, азотирование и др.).

Остаточными напряжениями называют такие напряжения, которые существуют и уравновешиваются внутри твердого тела после устранения причин, вызвавших их появление.

По  протяженности силового поля различают  следующие остаточные напряжения: 

напряжения первого рода, или макронапряжения, охватывающие области, размеры которых соизмеримы с размерами детали; они имеют ориентацию, связанную с формой детали, возникают от неоднородности силового, температурного поля внутри детали;напряжения второго рода, или микронапряжения, распространяющиеся иа отдельные зерна или на группу зерен; 

напряжения  третьего рода (субмикроскопические), относящиеся к искажениям атомной решетки; в этом случае термин «напряжения» является условным, иногда их называют статическими искажениями решетки или искажениями третьего рода. 

Напряжения  второго и третьего родов дезориентированы и не проявляются в виде коробления при разрезании детали на части.

Основными причинами возникновения макронапряжений  являются неоднородность пластической деформации и локальный, неоднородный нагрев металла поверхностного слоя, а при наличии превращений — разность объемов возникающих структур. Микронапряжения — местные остаточные напряжения в микрозонах. Они являются следствием фазовых превращений, изменения температуры, анизотропии механических свойств отдельных зерен, границ зерен и распада зереи на блоки при пластической деформации.

Причиной  образования искажений кристаллической  решетки являются, главным образом, дислокация и внедрение атомов.

Степень и глубина наклепа обусловлены пластической деформацией поверхностного слоя и непосредственно связаны с увеличением дислокаций, вакансий и других дефектов кристаллической решетки металла. 

КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСОБЕННОСТИ  ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ  ППД

В соответствии с ГОСТ 18296—72 методы ППД подразделяют на статические и ударные. При статических методах обработки инструмент, рабочие тела или среда воздействуют на обрабатываемую поверхность с определенной постоянной силой Р, происходит плавное перемещение очагов (очага) воздействия, которые последовательно проходят всю поверхность, подлежащую обработке. При этом инерционные силы не оказывают существенного влияния на ППД. К таким методам относятся различные виды выглаживания (рис. 2, а) и накатывания (рис. 2, б), а также метод однократного обжатия обрабатываемой поверхности (рис. 2, в) без перемещения очагов воздействия.

   При ударных методах (рис. 2, г) инструмент, рабочие тела или среда многократно воздействуют на всю обрабатываемую поверхность или на ее часть, при этом сила воздействия Р в каждом цикле изменяется от нуля или от некоторого значения Р_х до максимума, а в случае локального ударного воздействия очаг деформирования может (как и в статических методах) последовательно и равномерно проходить всю обрабатываемую поверхность.

     

   Инструментами при ППД могут быть ролик, шар  с принудительной осью вращения или без нее, гладилка, дорн с нережущими кольцами, боек-чекан и т. д. В качестве рабочих тел при ППД могут быть использованы дробь, шарики из стали, стекла, пластмассы и др. Рабочей средой при ППД могут быть жидкость, газ и их суспензии с частицами абразива.

   В табл. 2 приведены принципиальные схемы  обработки с помощью основных, наиболее распространенных методов ППД. Статические методы ППД, как правило, обеспечивают меньшую шероховатость поверхности с благоприятной формой микронеровностей; с помощью ударных методов можно достичь большой степени упрочнения, которая характеризуется степенью повышения микротвердости, значениями сжимающих остаточных напряжений и толщиной упрочненного слоя.

   Это относится к статическим и  ударным методам, близким по удельной нагрузке и кратности ее приложения. Однако обработка некоторыми ударными методами уступает по степени упрочнения обработке статическими методами, например, при виброударной обработке степень упрочнения бывает обычно меньше, чем при накатывании.

   В состав общих требований (ГОСТ 20299—74) входят восемь групп: требования к обрабатываемым изделиям, технологическим процессам  обработки ППД, оборудованию, оснастке, аппаратуре и инструменту, основным технологическим материалам, обрабатываемым изделиям, контролю обработки, технологическим процессам следующей за ППД обработки и сборки изделий, технике безопасности и производственной санитарии при обработке ППД.

   Необходимо учитывать, что обработка, основанная иа пластическом деформировании тонкого поверхностного слоя, имеет по сравнению с обработкой точением, шлифованием, полированием, доводкой ряд преимуществ, в том числе:

   сохраняется целость волокон металла и образуется мелкозернистая структура-текстура в поверхностном слое;

отсутствует шаржирование обрабатываемой поверхности  частичками шлифовальных кругов, полировочных паст;

   отсутствуют термические дефекты;

   стабильны процессы обработки, обеспечивающие стабильное качество  поверхности;

   можно достигать минимального параметра  шероховатости поверхности (Ra = 0.1 ... 0,05 мкм и менее) как на термически необработанных сталях, цветных сплавах, так и на высокопрочных материалах, сохраняя исходную форму заготовок;

   можно уменьшить шероховатость поверхности  в несколько раз за один рабочий  ход;

   создается благоприятная форма микронеровностей с большей долей опорной площади;

   можно образовывать регулярные микрорельефы с заданной площадью углублений для  задержания смазочного материала;

   создаются благоприятные сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое;

   плавно  и стабильно повышается микротвердость поверхности.

   Указанные и другие преимущества методов ППД  обеспечивают повышение износостойкости, сопротивления усталости, контактной выносливости и других эксплуатационных свойств обрабатываемых деталей на 20—50 %, а в некоторых случаях — в 2— 3 раза (при условии выбора в каждом конкретном случае наиболее рационального метода и назначения оптимальных режимов обработки).

   Наряду  с обеспечением высокого качества поверхности  ППД во многих случаях позволяет  механизировать ручной труд и повысить производительность на окончательных операциях.

   Необходимо  также учитывать следующие особенности  методов ППД:

   подавляющее большинство методов не повышает геометрической точности поверхности, обычно сохраняется точность, достигнутая на предшествующей операции;

   в связи с созданием полезных сжимающих  остаточных напряжений в поверхностном слое при обработке тонкостенных и не-равножестких деталей (толщиной 3—5 мм) может происходить деформация поверхности 5—10 мкм и более;

   в связи с пластическим течением металла  при использовании некоторых  методов обработки ППД на кромках  обрабатываемых поверхностей образуются равномерные наплывы металла толщиной 0,03—0,3 мм. 

   

     
 

2. Инструменты для обработки  деталей машин  поверхностно-пластическим деформированием

 
 

   РОЛИКИ  И ШАРЫ ДЛЯ РАСКАТЫВАНИЯ  И ОБКАТЫВАНИЯ 

   Ролики  для раскатывания и обкатывания  бывают двух видов — стержневые и кольцевые; их подразделяют на 15 типов, причем некоторые типы имеют несколько исполнений. Стержневые ролики могут быть коническими и цилиндрическими, могут иметь торовую и коническую заходную поверхность или их выполняют без заходиой поверхности, с хвостовиками или с цапфами с одной или с двух сторон. Кольцевые ролики имеют посадочное отверстие, их рабочая поверхность может быть торовой, конической или цилиндрической, ассиметричной или симметричной с заходиой поверхностью или без нее. Поверхность кольцевых цилиндрических роликов может иметь регулярные элементы или может быть выполнена в виде выступающих синусоид. Это обеспечивает на обрабатываемой поверхности получение заданного микрорельефа (табл. 6).

   Ролики 1-го и 2-го типов применяют для  накатывания с осевой подачей  цилиндрических непрерывных поверхностей, ролики 3-го типа позволяют обрабатывать поверхности до упора в бурты или галтели. Ролики 4-го и 5-го типов используют главным образом для обработки с радиальной подачей, 6-го типа — для обработки как с радиальной, так и с осевой подачами. Ролики 6-го типа — цилиндрические, стержневые ролики остальных типов — конические. Ролики некоторых типов и исполнений могут быть использованы из стандартных роликоподшипников.

   Кольцевые ролики 7-го и 9-го типов предназначены  для сглаживающе-упрочняющего накатывания с осевой подачей, а 12-го типа — с радиальной подачей. Ролики 8-го и 13-го типов используют для упрочняюще-калибрующего накатывания соответственно с осевой и радиальной подачами. Коническими роликами (10-го типа) можно накатывать канавки и создавать регулярный микрорельеф. Для получения полного или частичного регулярных микрорельефов предназначены также ролики 11-го, 14-го и 15-го типов.