Обкочування та розкочування кульками та роликами

Обробка деталей поверхневим пластичним деформуванням (ППД)

3.3.1Вплив ППД на експлуатаційні властивості ДМ

ППД або наклеп є одним з найпоширеніших методів зміцнення поверхневих шарів ДМ.

Використання цього методу дозволяє ефективно впливати на підвищення довговічності деталей, які працюють в умовах циклічного навантаження, мають концентратори напружень, посадки з гарантованим натягом, а також в умовах тертя і впливу корозійних явищ.

Одним з найбільш важливих результатів наклепу, є поява в поверхневих шарах залишкових напружень стиску. Причиною їх виникнення є те, що при пластичному деформуванні метал збільшується в об’ємі, але цьому перешкоджають деформовані шари металу в серцевині деталі. В результаті в поверхневих шарах виникають напруження стиску, а в серцевині – розтягу.

Наклеп також змінює мікрорельєф покращує фізико-механічні властивості поверхневих шарів за рахунок підвищення твердості, границі текучості і опору відриву.

Ці зміни стану і властивостей поверхні при ППД відбуваються в результаті руху, розмноження і взаємодії дефектів кристалів (дислокації, дефекти, пакування, накопичення точкових дефектів і т.д.). механізми ППД можна поділити на 3 групи:

1. процеси зсуву;

2. дифузійні процеси;

3. периферійні процеси (відносне переміщення зерен чи їх блоків).

Наклеп викликає підвищення фізико-хімічної активності поверхні, зниження тепло і електропровідності металу.

Зміна властивостей після ППД залежить від його технології і матеріалу деталі. Наприклад, леговані сталі наклепуються на меншу глибину в порівнянні з маловуглецевими, але величина залишкових напружень в них значно вища.

При дії статичних навантажень наклеп майже не змінює механічні характеристики, але при дії динамічних навантажень зменшується ударна в’язкість, тому при ударних навантаженнях дрібні деталі зміцнювати ППД не рекомендується. На великих деталях зниження ударної в’язкості майже не відчувається через відносно малу товщину наклепаного шару.

Втомна міцність завдяки дії залишкових напружень стиску при наявності концентраторів напружень підвищується на 50% (напруження розтягу зменшують втомну міцність на 30%). Крім залишкових напружень стиску на підвищення втомної міцності впливають і інші фактори ППД. Дослідження показують що тільки 30% підвищення втомної міцності пояснюються залишковими напруженнями стиску, а 70% іншими факторами ППД.

В умовах мало циклової втоми (при великих амплітудах) приводить до значного збільшення довговічності, особливо для високоміцних матеріалів. Це пов’язано, крім попередніх причин зміною мікрорельєфу поверхні. Це не тільки зменшення мікронерівностей, але й збільшення радіусів впадин і їх роз орієнтацію.

Великий вплив на втомну міцність ППД дає для хромованих деталей, а також для жароміцних сплавів на нікелевій основі, як при нормальній так і при високій температурі (20-700^˚С).

ППД підвищує корозійну стійкість багатьох матеріалів через закриття мікропар і ущільнення поверхні, хоча і залишкові напруження активізують явища корозії.

ППД також підвищує зносостійкість пар тертя через збільшення твердості, міцності та активізації поверхні. Це призводить до збільшення діапазону зовнішніх механічних впливів, при яких відбувається нормальне окислювальне зношування (найменше руйнівне).

Наклеп зменшує початковий знос, найбільший ефект спостерігається для м’яких сталей. Сталь 15-50 в умовах окислювального зношування.

Свою роль тут грає і зміна мікрорельєфу, але слід звернути увагу на те, що збільшення наклепу покращує властивості до якогось рівня. При подальшому збільшенні наклепу відбувається субмікроскопічне порушення суцільності поверхні, розвиток тріщин, окрихлення поверхневих шарів і відшарування, що призводить до різкого зносу та значного зменшення втомної міцності.

Існує багато методів ППД. В залежності від методу та режимів можна одержати необхідну ступінь та глибину наклепного шару, напружений стан та чистоту поверхонь ДМ.

3.3.2Дробеструєвий наклеп та наклеп відцентрованими зміцнювачами

ДН – найбільш поширений метод для деталей складної форми. Виконується на пневматичних та механічних дробометах. Для підвищення чистоти поверхні використовують також гідробезструменеву обробку.

Для наклепу стальних деталей використовується чавунна чи більш міцна стальна дріб. Для кольорових металів для попередження електролітичної корозії – алюмінієва чи скляна. Звичайним розмір дробі – 0.4-2 мм. Малий діаметр для дрібних деталей, а також для деталей, де необхідна велика частота поверхонь. При наявності концентраторів напружень розмір дробі залежить від концентратора. При мм, а при мм.

Режими наклепу, не піддаються поки що аналітичному обчисленню (V_др, d_др, кут атаки, кількість ударів на площу поверхні). Тому оптимальні режими визначають методами експериментальних досліджень для визначених деталей. Швидкість дробі V_др у 1.3 рази більша окружної швидкості ротора дробомета. Чим вища V_др, тим більша величина наклепаного шару. Збільшувати V_др доцільно при обробці концентраторів напружень. V_др.max=90м/с для чавунної дробі (обмежена міцність). Стальна 180 м/с, її розхід в 20 разів менший.

Глибина наклепу не більша 1 мм. Твердість підвищується для м’яких сталей до 50%, твердих до 80%, аустенітних до 100%. Шорсткість залежить від d_др та її якості (стальна для твердих сталей зберігає чистоту полірованої поверхні). Механічні дробомети більш продуктивні і економічні, дають високу однорідність обробки. Пневмо – дрібносерійного чи одиничного виробництва, чи для важкодоступних місць. Д роторів 200-500 мм, ширина 45-125 мм, n-2000-3500 об/хв. Продуктивність до 150 кг/хв. на кожен ротор.

Використовують для підвищення втомної міцності валів, зубчастих коліс, пружин, насосних штанг і т.д. (умови циклічного згину чи кручення), а також для підвищення зносостійкості всередині пуансонів та матриць для штампування, бурових шарошок, вкладишів підшипників і т.д.

Наклеп відцентровими зміцнювачами (кулачками чи роликами) відбувається в результаті багаточисельних ударів по заготовці кулачками чи роликами, які розміщені в швидкообертовому диску і мають можливість вільного переміщення в радіальному напрямку на визначену величину для удару.

Крім зовнішніх і внутрішніх (з великим ǿ) поверхонь обертання цим способом можна обробити плоскі поверхні (багаторядний диск з роликами), а з допомогою копіра – фасонні поверхні.

Найбільш доцільно відцентровий наклеп використовувати для місцевого наклепу в небезпечних зонах невеликих розмірів.

В результаті обробки твердість поверхневого шару збільшується на 20-60% (в залежності від початкової твердості).

Чистота поверхні підвищується R_a=0.8-3.2 мкм до R_a=0.1-0.4 мкм. Глибина наклепу 0.3-3 мм, залишкові напруження стиску досягають на поверхні 400-800 МПа.

Попередня обробка деталі шліфування до R_a=0.4-1.6 мкм; Чистове точіння чи розточування з R_a=3.2 мкм.

Використовують для виготовлення деталей з сталей, чавуна, бронзи, латуні, дюралі, алюмінію.

Обробка проводиться при швидкості диска 10-50 м/с, деталі 0.5-1.5 м/с, h=0.05-0.8 мм, подача S=0.1-0.5 мм/об деталі. Кількість проходів – до 3, діаметр кульок 7-10 мм.

Чистота поверхні і наклеп пов’язані оберненою залежністю. Збільшити наклеп можна ǿ кульок чи V_диска.

Технічні вимоги при обробці: биття поверхні 0.03 мм; похибка форми деталі 0.04 мм; радіальне биття кульок 0.04 мм. Заготовки повинні бути очищенні перед обробкою від корозії і обезжирені. Сепаратор повинен бути динамічно збалансований. Необхідно використовувати змащування заготовок керосином, кульки 60/40 масло і керосин. Припуск під обробку не залишають.

Обробку виконують на шліфувальних, токарних чи фрезерних (обробка площин) верстатах. Найкраще - шліфувальним верстатом, замість шліфувального круга – диск з кульками.

У випадку використання токарного верстата – диск встановлюється на шпинделі шліфувального пристрою, який встановлюється на супорті.

Для відхилення строку служби пристрою рекомендується ставити під кульки відбивачі зі сталі 9ХС з HRC=56-60.

Використовують для завершальної обробки поверхонь колін валів, гільз циліндрів, поверхневих кілець, підшипникових вкладишів.

Обкочування чи розкочування поверхонь ДМ проводиться роликами чи кульками, які під тиском вільно обертаються кругом деталі, яка обертається примусово.

Обкочування зовнішніх поверхонь обертання проводять на верстатах токарної групи (токарно-гвинторізні, револьверні, карусельні, автомати). Отвори розкочують переважно на револьверних і свердлильних верстатах, плоскі – на поперечно-строгальних верстатах. Процес можна включати в операцію як перехід, але можуть бути і спеціальні верстати для обробки.

Точність розміру підвищується незначно к=0.9. похибки форми не виправляються, але і не створюється. Існує 2 різновидності обробки зміцнююча і зміцнюючо-згладжувальна. Перша виключно для зміцнення, в цьому випадку оптимальне зусилля визначається за формулою

Поверхневу твердість піднімають на 25-40%, глибина наклепаного шару 0.02-0.04 D_д.

Зміцнюючо-згладжуюча обробка проводиться в більшій мірі для покращення шорсткості R_a=0.8-6.3 мкм до R_a=0.2- 0.8 мкм.

В цьому випадку сила на ролику 500-2000 Н, на кульці 150-300 Н.

Швидкість обкочування 100 м/хв., подача для обкочування кулькою – не більше 0.1 мм/об, для роликів – не більше половини циліндр на оберт. При цьому чим більша подача, тим більші осьові зусилля максимальна ширина 40 мм, подача 15 мм/об.

Обробка ведеться при значному змащуванні маслом, при високих зусиллях – керосин. Для чавуну - без змащування.

Ролики виготовляють зі сталі: легованих ШХ15, ХВГ, 9Х, 5ХНМ, інструментальних У10А, швидкорізальних Р6М5, Р9 з твердістю HRC=62-65.

Однороликові чи однокулькові обкатки чи розкатки використовують для жорстких деталей, для нежорстких – трироликові чи тришарикові. Вони можуть бути як жорсткі так і регульовані підпружинні. Перші дають виправлення форми, але нерівномірний наклеп, другі – навпаки. Регульовані вживаються частіше.

3.3.4Зміцнення карбуванням та алмазне вигладжування

Зміцнення чеканкою здійснюється з допомогою спеціальних інструментів. Наприклад чеканка зварних швів здійснюється з допомогою пневматичного молотка.

Галтелі ступінчатих валів та інші поверхні деталей типу тіл обертання, обробляють на токарному верстаті, в супорті якого закріплюють карбувальний пристрій.

В результаті такої обробки в поверхневому шарі оброблюваних деталей створюються високі залишкові напруження стиску (до 1000 МПа).

Глибина наклепу може досягати 35 мм, а шорсткість обробленої поверхні R_a=6.3 мкм. Обкочування та розкочування поверхонь також можна проводити в комбінації з ударними навантаженнями.

Прикладом такого обкочування є обкочування відповідальних різьб з допомогою вібруючого ролика, по якому з високою частотою наносяться удари при допомозі механічного, пневматичного чи електромеханічного пристрою. Це посилює вплив обкочування і збільшує глибину наклепаного шару до 20 мм. Границя втоми при згині в цьому випадку збільшується в три рази.

Досить широко таку комбіновану обробку використовують при обкочуванні отворів. Розкатку конічним хвостовиком закріплюють в шпинделі свердлильного чи розточного верстата. В процесі роботи вона обертається і отримує осьову подачу, при цьому кожен ролик в момент переходу з хорди на дугу ударяє по заготовці і перекочується по ній. Даний спосіб ще для чистоти поверхонь після тонкого розточування з допуском рівним 0.01 мм і чистотою до

R_a=0.2-0.4 мкм на розкочування залишається припуск 0.02 мм. Метод ще, наприклад, при обробці отворів в шатунах і отворів для штовхачів, шатунів в блоках циліндрів. Ролики пристрою повинні мати твердість HRC=62-64 (виготовляють з високоміцних сталей високої ударної в’язкості).

Одним з методів зміцнюючої обробки є алмазне вигладжування спеціальним інструментом – державка з закріпленим алмазом. Для стабільності зусилля на поверхню деталі державка має пружинний елемент (пружину чи спеціальну форму самої державки). Вигладжуванням обробляють зовнішні чи внутрішні поверхні обертання та торцеві поверхні на токарних, свердлильних чи розточних верстатах. Після обробки шорсткість можна зменшити до R_a=0.1-0.05 мкм, твердість до 60%, глибина наклепаного шару до 0.4 мм, напруженого стиску до 1000 Н.

3.3.5Дорнування чи калібрування

Калібрування отворів без зняття стружки (дорнування) виконується проштовхуванням чи протягуванням кульки чи дорна через отвір.

Отвори з відношенням калібрують на пресах проштовхуванням, - протягуванням на протяжних верстатах. Звичайно обробляють наскрізні отвори, а ще спеціальні оправки зі зворотнім ходом – глухі.

У результаті пружних деформацій величину отвору . Величину натягу для назначають для сталі 0.07-0.15 мм, бронзи 0.06-0.12 мм, чавуну 0.05-0.1 мм, ще також величину натягу для тонкостінних деталей зі сталі. Для тонкостінних деталей слід враховувати збільшення зовнішніх розмірів після калібрування. Тому кінцеву обробку зовнішніх поверхонь проводять після калібрування. Для особливо відповідальних деталей калібрування проводять у 2 або навіть у 3 проходи. Для 2-х прохідної обробки натяг ділиться 0.75/0.25, для 3 -0.6/0.3/0.1.

Практично досягається 8 квалітет точності, 2 – 7 квалітет, в 3 проході – до 6 квалітету.

Слід врахувати крайовий ефект - ǿ на кінцях заготовки (до 4 мм) може бути на 0.1 мм для товстостінних деталей і на 0.1 мм – для тонкостінних. Тому кінці відрізають після калібрування.

Обробка кульками більш проста, але не дає оптимальні умови через малу розмірну стійкість самої кульки. Частіше обробку ведуть дорнами, робоча + калібруючи частина яких виготовлена з ВК15. Для малих натягів найкраще ВК8. Ширина циліндр, калібр, частини . Для менших вибирають з таблиць. При роботі з великими натягами ведуть розрахунки згідно теорії пластичності металів.

При обробці обов’язково ще МОР, а для високолегованих сталей тверді мастила: АСМ 16 чи АСФ 3.

Шорсткість дуже сильно залежить від параметрів калібрів і матеріалу заготовки визначається експериментально. Для малих натягів R_a=6.3 мкм можна досягнути R_a=0.06 мкм. При цьому для високолегованих сталей зменшити шорсткість неможливо через тверді мастила. Якщо ж необхідність шорсткість, то 90% натягу досягають з тв. мастилом, а 10% завершальною операцією з ще МОР.

Твердість можна збільшити дуже відчутно в 2.3-3.6 разів в залежності від натягу матеріалу заготовки. Залишкові напруження можуть бути і стиску (товстостінні деталі), розтягу (тонкостінні).

Для зменшення осьового зусилля ще вібрацію в осьовому напрямку w=20 Гц і А=0.3-1.5 мм.

Пристрої аналогічні протяжним. При обробці кульками – автомати з примусовим поверненням кульки (механічні чи пневматичні). Якщо , то це оправки цангового типу.

3.3.6Термомеханічна обробка (ТМО)

ТМО – це поєднання пластичної деформації з термічною обробкою. Деталі пластично деформують при температурах існування аустеніту з наступним гартуванням і наступним відпуском. При ТМО збільшується границя міцності і зберігається висока пластичність. Одним з основних факторів який обумовлює зміну властивостей сталі після ТМО, є спадкування дислокаційної структури деформованого аустеніту.

В залежності від температури деформування розрізняють високотемпературну і низькотемпературну ТМО (ВТМО і НТМО). При ВТМО деталі нагрівають до температури існування аустеніту (вище Ас3) пластично деформують з =30%-40% і зразу загартовують щоб не ре кристалізувався деформований аустеніт. Потім проводять низькотемпературний відпуск ().

Дислокаційна будова деформованого аустеніту характеризується утворенням тримірних сіток дислокації, тобто стійкою фрагментованою субструктурою. При гартуванні з деформованого аустеніту утворюється дрібнозернистий мартенсит з успадкованою від аустеніту структурою.

При НТМО деформація аустеніту відбувається в області існування переохолодженого аустеніту (нижче Ас3). Потім, як і при ВТМО гартування і низькотемпературний відпуск для ліквідації крихкості. НТМО використовують для середньо і високолегованих сталей, в яких велика стійкість переохолодженого аустеніту. Для НТМО є характерною степінь деформації =50%-90%, декрестилізація не відбувається і зміцнення більше ніж при ВТМО, хоча пластичність трохи менша.

Але процес ВТМО значно технологічний за НТМО, бо через відносно низькі температури деформування і велику степінь деформації необхідно для НТМО дуже потужне обладнання для створення великих тисків. Процес ускладнюється також необхідністю використання спеціальних печей після аустенізації для ізотермічної витримки при Т_деф.

Досягають такі показники механічних властивостей: . При звичайному гартуванні з низьким відпуском а . Найбільш високі властивості після ТМО досягають сталі 0.5-0.6% С.

ВТМО проводять також для жаростійких аустенітних сталей, в яких не відбувається процес мартенситного переходу. Після ВТМО сталі значно стійкіші при Т порядка . Пояснюють це утворенням зубчастої структури границі зерен та зміною тонкої кристалічної структури.

Вирізняють поверхневе ВТМО (ВПТМО). Глибина шару характерного для ТМО=4…7 мм.

3.4Хіміко-термічна обробка

Дата добавления: 2014-01-04