Деформирования

МЕТОДОМ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО

СУЩНОСТЬ И ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Лекция 16

Окраска распылением с помощью сжатого воздуха является универсальным и доступным методом, но приводит к большим потерям краски.

Рис. 5. Перемещение деталей на конвейере при окраске

Окраска в электростатическом поле высокого напряжения основана на том, что к окрашиваемой детали, находящейся под положительным потенциалом высокого напряжения, притягиваются и на ней оседают мелкие частицы краски, несущие отрицательный заряд. При этом методе получается тонкое высококачественное покрытие и экономно расходуется краска.

Нанесение краски кистью в серийном и массовом производствах в основном применяется для покрытия небольших труднодоступных поверхностей.

После окраски изделие подвергается искусственной или естественной сушке. Искусственная сушка может выполняться с помощью воздуха, нагретого до температуры 50…200 °С (сушка проводится в закрытых камерах) или с помощью энергии тепла, излучаемого электрическими лампами, установленными в рефлекторах.

Вопросы для самопроверки:

8.1. Физические явления, происходящие в поверхностном слое.

8.2. Влияние технологических факторов процесса и конструктивных

параметров на шероховатость поверхности.

8.3. Точность обработки деталей ППД.

8.4. Физико-механические свойства поверхностного слоя после

обработки ППД.

8.5. Эксплуатационные свойства деталей, обработанных ППД.

8.1. В технологии машиностроения наметилась определенная тенденция к все более широкому внедрению в производство деталей машин, обработанных методами поверхностного пластического деформирования, обладающими значительными преимуществами по сравнению с обработкой металлов резанием. К преимуществам методов ППД относятся:

- высокая производительность и экономичность;

- возможность получения малой высоты шероховатости поверхности (до Rа = 0,1-0,025 мкм для стали и цветных металлов и Rа = 0,4-0,2 мкм для чугуна);

- обеспечение высокой точности обработки (5-6 квалитетов);

- сохранение целостности волоком металла на обработанной поверхности;

- отсутствие шаржирования частицами абразива обработанной поверхности;

- высокая стойкость и сравнительная простота инструмента;

- стабильность и несложность осуществления процесса обработки.

Обработка поверхностей ППД сопровождается упрочнением поверхностного слоя – увеличением твердости, созданием в нем благоприятных остаточных напряжений сжатия. Получение минимальной шероховатости обработанной поверхности в сочетании с повышением ее твердости и наличием сжимающих остаточных напряжений значительно повышает пределы упругости, текучести, прочности и т.д. Все это способствует повышению эксплуатационных свойств деталей машин.

Для обработки поверхностей методом ППД существует несколько способов, основанных на различных схемах деформирования металла в зоне контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью. Для их осуществления разработано большое количество конструкций инструментов, имеющих различные связи между деформирующими элементами и поверхностью обработки.

Все способы ППД по принципу взаимодействия деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью могут быть подразделены на четыре вида.

К первому могут относиться процессы, характеризующиеся взаимодействием между деформирующим элементом и обрабатываемой поверхностью, которое осуществляется путем трения качения; ко второму – путем трения скольжения; к третьему – инструментом, использующим динамическую силу удара деформирующего элемента; к четвертому относятся процессы обработки торовым накатным роликом, ось вращения которого расположена по отношению к обрабатываемой поверхности под двумя углами, что приводит к проскальзыванию катящегося по ней ролика (ротационная обработка с проскальзыванием).

Сущность обработки ППД состоит в том, что под давлением деформирующего элемента (ролика, шарика, алмазного выглаживателя и т.д.), твердость которого значительно больше твердости обрабатываемого металла, выступающие микрогребешки исходной поверхности пластически деформируются – сминаются, и шероховатость обработанной поверхности уменьшается.

Обработка деталей ППД сопровождается возникновением в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия. Они возникают и уравновешиваются в макрообъемах обрабатываемой детали.

На величину и глубину залегания остаточных напряжений значительное влияние оказывают структура и свойства обрабатываемого металла. У закаленных деталей с мартенситной структурой после ППД остаточные напряжения значительно выше (при том же усилии деформирования), чем у незакаленных. При наличии в поверхностном слое после закалки структуры остаточного аустенита обработка ППД приводит к его частичному распаду и превращению в мартенсит. Это превращение сопровождается увеличением удельного объема, что также способствует возникновению сжимающих остаточных напряжений. Кроме того, у ряда сталей наблюдается выпадение карбидной фазы, а исходная структура мартенсита измельчается, превращаясь в мелкоигольчатый мартенсит.

Таким образом, ППД упрочняет обрабатываемую поверхность детали вследствие изменения физико-механических свойств металла и формирования в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия. Кроме того, улучшается качестве поверхности за счет уменьшения высоты микронеровностей, имеющих скругленную вытянутую форму, что увеличивает площадь контакта сопряженной пары.

8.2. Процесс ППД, как уже известно, сопровождается образованием новой поверхности со значительно меньшей высокой микрогребешков по сравнению с исходной шероховатостью. В связи с этим обработка ППД используется наиболее часто как финишная операция для достижения низкой высоты шероховатости поверхности и высокой точности. При этом производительность труда по сравнению с традиционными шлифовальными операциями увеличивается в 5-10 и более раз. При сглаживающих режимах шероховатость обработанной ППД поверхности зависит от ряда факторов: усилия накатывания, подачи, геометрии деформирующего элемента, числа проходов, исходной шероховатости, физико-механических свойств обрабатываемого материала и др.

Усилие накатывания. Оно оказывает наибольшее влияние на шероховатость поверхности, что связано с самим характером обработки методом ППД. Путем изменения усилия накатывания можно в широком диапазоне изменять шероховатость поверхности. Недостаточное усилие не обеспечивает достаточной деформации поверхностного слоя, так как сминаются лишь вершины гребешков. С увеличением усилия деформация гребешков увеличивается, и шероховатость поверхности уменьшается. Однако чрезмерное увеличение усилия приводит к увеличению шероховатости и даже к разрушению поверхностного слоя (явление перенаклепа). При отделочной обработке оптимальное усилие накатывания должно обеспечить полное сглаживание микронеровностей исходной поверхности, при этом достигается наименьшая шероховатость Rа = 0,4-0,025 мкм.

Для силовой характеристики процесса ППД можно пользоваться величиной усилия, отнесенной к единице площади контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью или к единице длины пятна контакта. Для ряда инструментов усилие накатывания создается величиной натяга, т.е. разностью между настроечным диаметром инструмента и диаметром обрабатываемой поверхности.

Зависимость шероховатости обработанной ППД поверхности от усилия накатывания для различных материалов имеет параболический характер. На рис. 8.1, а показан характер изменения шероховатости наружной цилиндрической поверхности, обкатанной роликом, в зависимости от усилия накатывания.

Рис. 8.1. Зависимость шероховатости обрабатываемой поверхности от: а – усилия накатывания при обработке профильным роликом Æ130 мм, Р_пр = 5 мм различных марок сталей (1-сталь 15, 2-сталь 35, 3-сталь 45, 4-сталь 45Г); б – величины натяга при обработке многороликовым ротационным дорном различных марок чугунов (1-СЧ42, 2-СЧ36, 3-СЧ20).

Рис. 8.2. Зависимость шероховатости обрабатываемой поверхности от величины подачи: а - при обработке различных марок стали; б – при обработке различных марок чугунов.

Подача. Она является одним из главных элементов режима обработки, оказывающим значительное влияние на шероховатость накатанной поверхности. Зависимость шероховатости от величины подачи для обработки различных материалов изображена на рис. 8.2. Кривые, характеризующие изменение шероховатости от величины подачи для различных марок стали при обкатывании дисковым роликом, имеющим те же параметры инструмента и режима обработки, что и на рис. 8.1, а, приведены на рис. 8.2, а. Из графиков видно, что шероховатость обкатанной роликом поверхности уменьшается с уменьшением подачи до определенного значения, дальнейшее уменьшение подачи приводит к некоторому увеличению микрогребешков. Аналогичный характер имеют кривые, полученные при раскатывании многороликовым ротационным дорном чугунных образцов с различной структурой (рис. 8.2,б). Условия проведения экспериментов здесь те же, что и для рис. 8.1, б. Увеличение шероховатости поверхности при чрезмерно малой величине подачи объясняется весьма большой краткостью приложения нагрузки на единицу площади пятна контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью, что приводит к усталостным явлениям в поверхностном слое металла (перенаклепу) и как следствие этого – шелушению.

Особенно чувствительны к перенаклепу чугуны и алюминиевые сплавы. Однако следует иметь ввиду, что величина подачи должна быть меньше ширины пятна контакта деформирующего элемента с деталью. При несоблюдении этого условия смежные следы деформирующего элемента на обработанной поверхности не будут перекрываться, что неизбежно вызовет появление волнистости и приведет к резкому ухудшению качества обработки.

Таким образом, для каждого конкретного случая обработки ППД существует оптимальная величина подачи, необходимая для обеспечения требуемой шероховатости поверхности и зависящая от усилия накатывания, размеров, формы и количества деформирующих элементов в инструменте.

Скорость накатывания. При обработке поверхностей различными способами ППД скорость накатывания не оказывает существенного влияния на их шероховатость. Так, например, изменение скорости обработки с 18,8 до 188 м/мин при ротационном раскатывании отверстий в образцах из сталей 15 и 45 многошариковым ротационным дорном не сказалось на шероховатости обработанной поверхности. Изменение скорости обработки с 40 до 200 м/мин при раскатывании чугунных образцов многороликовым ротационным дорном также не привело к заметному изменению шероховатости обработанной поверхности. Это же явление отмечено при алмазном выглаживании, ротационном протягивании и других способах обработки ППД. Поэтому при выборе скорости накатывания необходимо исходить из производительности, принимая максимальное ее значение с учетом жесткости системы СПИД и износа деформирующего инструмента.

Количество проходов инструмента. Влияние числа проходов на шероховатость накатанной поверхности аналогично влиянию усилия и подачи на величину микрогребешков. При увеличении числа проходов до 3-4 отмечается некоторое уменьшение шероховатости обработанной поверхности. Дальнейшее увеличение числа проходов вызывает увеличение шероховатости по причине ее перенаклепа.

Поскольку проведение дополнительных проходов связано с уменьшением производительности обработки, накатывание следует вести за один проход, что обеспечивает заданную шероховатость поверхности за счет соответствующих усилий накатывания и подачи.

Материал обрабатываемой детали. Анализ зависимостей, приведенных на рис. 8.1 и 8.2, свидетельствует о том, что шероховатость накатанной поверхности зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала. Чем пластичнее металл, тем более низкая шероховатость достигается при всех прочих равных условиях осуществления процесса ППД. Однако расхождение в шероховатости поверхности образцов из сталей 10, 15, 35, 45 незначительно. Шероховатость поверхности при обработке ППД серых чугунов вследствие их низких пластических свойств значительно ниже, чем стали. Наименьшая шероховатость достигается при обработке ковких чугунов.

Исходная шероховатость. На шероховатость поверхности, обрабатываемой ППД, значительное влияние оказывает величина микрогребешков, образующихся не предшествующей операции.

Рис. 8.3. Зависимость шероховатости обработанной поверхности от исходной шероховатости, полученной при: а – ротационном протягивании; б – при ротационном дорновании

На рис. 8.3, а представлены графики зависимости шероховатости, полученной после ротационного протягивания, от исходной шероховатости, подготовленной под обработку на токарной операции. Из рисунка видно, что с понижением исходной шероховатости уменьшается шероховатость поверхности, полученная в результате ротационного протягивания. Аналогичная зависимость наблюдается при ротационной обработке отверстий в чугунных образцах многороликовым ротационным дорном (рис. 8.3, б), условия раскатывания которых те же, что для рис. 8.2, б.

Для обеспечения стабильной шероховатости Rа = 0,1-0,5 мкм и минимальных усилий деформирования следует предварительной обработкой точением обеспечить шероховатость Rа = 3,2-1,6 мкм и шлифованием – Rа = 1,6-0,8 мкм. Если требуется получить шероховатость Rа = 0,4-0,2 мкм, то предварительной обработкой точением необходимо получить шероховатость Rа = 6,3-3,2 мкм, а шлифованием – Rа = 3,2-1,6 мкм.

Размеры деформирующих элементов и обрабатываемой детали. Для получения минимальной шероховатости поверхности после ППД необходимо обеспечить определенное удельное давление в зоне контакта между деформирующим элементом и обрабатываемой поверхностью. Величина удельного давления зависит от усилия деформирования (натяга) и площади контактной зоны. Поэтому всякое изменение площади контакта при неизменном усилии деформирования приводит к изменению шероховатости обработанной поверхности. Следовательно, диаметр шарика, диаметр и профильный радиус дискового ролика, диаметр и форма ролика многороликового дорна оказывают влияние на шероховатость обработанной поверхности (с их увеличением увеличивается шероховатость накатанной поверхности).

Аналогичное влияние на шероховатость обработанной поверхности, но в значительно меньшей степени, оказывает и диаметр изделия.

8.3. При обработке деталей ППД заданная точность и шероховатость обрабатываемой поверхности достигаются без съема металла. В этом случае припуском под обработку является величина остаточной деформации поверхностного слоя детали. Значительное влияние на нее оказывают исходная шероховатость, деформирующее усилие, жесткость обрабатываемой детали и инструмента.

Поскольку процесс накатывания роликами и шарами обусловливает изменение размеров (уменьшение диаметра вала и увеличение диаметра отверстия) за счет деформации микрогребешков и заполнения их впадин металлом выступов, величину остаточной деформации можно определить по формуле

DD = K(Rz_исх - Rz),

где Rz_исх – высота неровностей исходной шероховатости; Rz – высота микрогребешков после обработки ППД; К – коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала (К = 1,3-1,5).

Помимо исходной шероховатости на изменение величины остаточной деформации влияют также величина усилия накатывания, профильный радиус деформирующего элемента и механические свойства металла. При высоких усилиях накатывания (натяга) величина остаточной деформации DD может достигнуть значений 0,1-0,15 мм, тогда как за счет только смятия микрогребешков поверхности, имеющей шероховатость Rа = 3,2-1,6 мкм. Ее значения должны составлять 0,01-0,03мм. На рис. 8.4 показаны графики зависимости остаточных деформаций для сплошных валов, изготовленных из сталей 15 и 50, от усилия накатывания. Как видно, величина остаточных деформаций при усилиях накатывания 9000-16000 Н составляет 0,06-0,12 мм, причем более пластичная сталь (15) в диапазоне этих усилий имеет величину остаточных деформаций на 0,03-0,05 мм больше, чем менее пластичная сталь (50).

Если изменение диаметра заготовки после обработки ППД значительно меньше допуска на размер готовой детали, то припуск под обработку можно предусматривать. Практически детали, изготавливаемые по 8-му квалитету точности диаметром более 250 мм, и детали 9-го квалитета точности всех размеров, а также все менее точные детали следует изготавливать без припуска по окончательным чертежным размерам. Если же детали имеют размеры меньше 250 мм и точность 8-го квалитета и ниже, то следует производить корректировку размера на величину припуска под накатывание.

Рис. 8.4. Зависимость остаточной деформации от усилия накатывания:

1 – сталь 15; 2 – сталь 50

Повышение точности размеров в результате обработки ППД возможно лишь при использовании инструментов с жестким контактом деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью. Исследования и опыт применения жестких роликовых и шариковых ротационных дорнов, а также ротационных протяжек показывают, что точность диаметральных размеров может быть ниже на 1-2 квалитета. Инструменты с жестким контактом деформирующих элементов могут полностью или частично исправить погрешности формы цилиндрических поверхностей (конусность, эллипсность, бочкообразность, корсетность и т.д.).

Однако это исправление практически возможно в пределах величины остаточной деформации, вследствие чего повышение точности формы весьма ограничено и может быть осуществлено за счет неравномерной деформации поверхностного слоя. Так, при обкатывании конусного валика наибольшая пластическая деформация будет в сечении наибольшего диаметра, где гребешки микронеровностей будут полностью деформированы, тогда как в сечении малого диаметра произойдет их неполная деформация.

При упругом контакте деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью погрешности формы заготовки фактически не исправляются, так как деформирующий элемент копирует эти погрешности. Поэтому инструменты упругого действия применяются для получения весьма низкой шероховатости при отделочных операциях, а при больших усилиях деформирования они используются в целях упрочнения обрабатываемой поверхности. Инструменты жесткой конструкции находят применение при размерно-чистовой обработке, когда наряду с минимальной шероховатостью предъявляются высокие требования к точности размеров и формы поверхности.

8.4. В результате действия на поверхностный слой деформирующего элемента, к которому приложено определенное усилие, в этом слое происходит упругопластическая деформация, распространяющаяся на определенную глубину. В связи с этим изменяются не только размеры заготовки, форма и шероховатость ее поверхности, но и структура металла, его физико-механические свойства. Кроме того, в поверхностном слое появляются остаточные напряжения сжатия. Комплекс этих явлений обусловливает новое физико-механическое состояние упрочненного поверхностного слоя.

Структурные превращения. Структурное состояние металла является одним из основных показателей, влияющих на его физические и механические свойства. Процесс ППД протекает при температуре, которая значительно ниже температуры рекристаллизации, вследствие чего структурные изменения, происходящие в поверхностном слое при накатывании, сохраняются в металле после обработки.

Для деформированного слоя характерен процесс дробления зерен, которые теряют свою первоначальную форму, вытягиваясь в направлении деформации, при этом резко меняется соотношение их размеров. Они уменьшаются в радиальном направлении и значительно увеличиваются в направлении перемещения деформирующего элемента. Структура металла поверхностного слоя становится упорядоченной с направленным расположением зерен волокнистой формы, т.е. образуется текстура наклепанного слоя. Вблизи образовавшейся новой поверхности сосредотачивается большое количество зерен перлита, которые как бы покоятся на вытесненных вниз зернах феррита.

Переход от структуры с ориентированным расположением зерен к структуре основного металла, где зерна расположены беспорядочно, происходит постепенно, так как степень пластической деформации при перемещении от поверхности в глубь металла уменьшается. Глубина распространения деформированного слоя и степень деформации его при всех прочих равных условиях зависят главным образом от величины усилия деформирования и величины подачи.

Наклеп поверхностного слоя. При обработке деталей ППД происходит упрочнение поверхностного слоя – наклеп металла, в результате которого, как указывалось, повышаются свойства, характеризующие сопротивление деформированию (пределы текучести, упругости, прочности, твердости и т.д.), и снижаются показатели пластичности (относительное удлинение, ударная вязкость и др.). Наклеп характеризуется повышением поверхностной твердости и глубиной.

Интенсивность (степень) наклепа (%) определяется по формуле

где Нн – твердость обработанной ППД поверхности; Но – твердость исходного (основного металла).

Глубина наклепа определяется как толщина слоя металла с повышенностью твердостью. Следует отметить, что она имеет определенные ограничения, что связано с явлением перенаклепа, когда недопустимые усилия деформирования могут привести к шелушению обработанной поверхности. При чистовой и отделочной обработке глубина наклепанного слоя исчисляется десятыми долями миллиметра, а при упрочняющей – может достигать нескольких миллиметров.

На рис. 8.5 показан характер изменения твердости по сечению стального образца, обработанного обкатыванием роликом. Глубина наклепанного слоя составляет 0,35 мм, при этом степень наклепа равна 30%. На степень и глубину наклепа влияет усилие деформирования, с увеличением которого увеличиваются глубина и степень наклепа. Однако, если для глубины наклепа это правомерно в большом диапазоне усилий, то для степени наклепа – при величине усилий, не превосходящих критических значений, когда наступает явление перенаклепа и дальнейшее увеличение деформирующего усилия приводит к снижению твердости поверхностного слоя.

Рис. 8.5. Распределение твердости в поверхностном слое в результате обкатывания профильным роликом стали 2о при различных усилиях накатывания:

1 – 2000Н; 2 - 1750 Н; 3 – 1500 Н

Количество проходов и величина подачи на глубину наклепанного слоя не оказывают влияния, однако эти параметры существенно влияют на повышение поверхностной твердости. Повышение твердости поверхности происходит благодаря неоднократному деформированию поверхностного слоя, чего можно достичь увеличением числа проходов либо уменьшение подачи.

Скорость накатывания не оказывает влияния на степень и глубину наклепа. Профильный радиус ролика и диаметр шара являются важным конструктивным параметром деформирующего инструмента, с помощью которого можно увеличивать или уменьшать глубину наклепанного слоя и поверхностную твердость. При одном и том же усилии накатывания уменьшение профильного радиуса приводит к повышению поверхностной твердости, но уменьшает глубину наклепа. При этом интенсивность влияния профильного радиуса на степень наклепа выше, чем на глубину наклепа. Для получения глубокого наклепанного слоя следует увеличивать профильный радиус или диаметр шарика.

Поверхностная твердость деталей в результате обработки ППД в значительной степени зависит от механических свойств металла, из которого они изготовлены. Стали разных составов и в различном структурном состоянии при накатывании имеют различную интенсивность и глубину наклепа. Значительное увеличение твердости обнаруживают аустенитные стали, стали со структурой феррита и мартенсита, а стали со структурой сорбита и перлита имеют небольшой прирост относительной твердости. Наибольшим приростом твердости обладают при пластическом деформировании стали со структурой мартенсита закалки. Для углеродистых сталей характерно уменьшение прироста твердости с увеличением в них содержания углерода.

Остаточные напряжения. После упрочняющего, сглаживающего и калибрующего накатывания в поверхностных слоях деталей возникают тангенциальные (окружные), осевые и радиальные остаточные напряжения (напряжения 1-го рода). При этом тангенциальные и осевые являются напряжениями сжатия, а радиальные – растяжения. Величина радиальных остаточных напряжений в 4-10 раз меньше сжимающих остаточных напряжений, из которых осевые, как правило, в 1,5-2 раза больше окружных. Вследствие небольшой толщины упрочненного слоя остаточные напряжения сжатия могут достигать значительных величин (600-900 МПа), а иногда они имеют величины, превышающие предел текучести данного материала, который определены при одноосном растяжении.

На рис. 8.6 приведены характерные эпюры остаточных напряжений, полученные в результате обкатывания вала диаметром 160 мм из стали 45 дисковым роликом диаметром 100 мм и профильным радиусом 5 мм при скорости обкатки 37,2 м/мин, подаче 0,3 мм/об и усилии деформирования 13000 Н. Сжимающие осевые и окружные остаточные напряжения уменьшаются по мере удаления от накатанной поверхности, переходя на некоторой глубине в растягивающие напряжения. Величина сжимающих напряжений значительно выше растягивающих, что связано с небольшой толщиной наклепанного слоя.

Рис. 8.6. Распределение остаточных напряжений по сечению образца:

а – осевые; б – тангенциальные; в – радиальные

На величину и глубину сжимающих остаточных напряжений значительное влияние оказывают метод упрочняющей обработки, давление деформирующего элемента, структура и свойства обрабатываемого материала, толщина стенок детали и т.д. Одним из основных факторов влияния на величину и глубину залегания остаточных напряжений является усилие деформирования.

Величина остаточных напряжений и глубина их распределения зависит от состояния и механических свойств различных материалов, подвергаемых ППД. Наибольшие величины остаточных напряжений возникают в более твердых сталях. Прирост остаточных напряжений также больше у сталей с большой исходной твердостью, а с ростом величины максимальных сжимающих напряжений глубина распространения их в поверхностном слое уменьшается. У деталей с мартенситной структурой после накатывания остаточные напряжения значительно выше, чем у деталей с трооститной структурой.

8.5. На эксплуатационные свойства деталей машин решающее значение оказывают физико-механические свойства, макро- и микрогеометрия поверхностного слоя. Обработка деталей ППД, как отмечалось, позволяет значительно повысить такие эксплуатационные характеристики деталей машин, как усталостная прочность, износостойкость, контактная прочность, прочность прессовых соединений, коррозионно-усталостная прочность и т.д.

Усталостная прочность. Основная причина разрушения деталей, работающих в условиях циклического нагружения, - усталость металла. Усталостное разрушение начинается с поверхностного слоя, от физико-механических свойств которого зависит в значительной степени предел выносливости. Образовавшиеся при механической обработке царапины, риски, надрезы, мелкие трещины, шлифовальные прижоги, остаточные напряжения растяжения и т.д. резко снижают усталостную прочность. Эти дефекты, являясь в процессе работы детали концентраторами напряжений, образуют очаги зарождения усталостной трещины, которая, разрастаясь, приводит к излому детали. Одним из эффективных способов «залечивания» дефектов поверхностного слоя является обработка деталей ППД, в результате которой усталостная прочность значительно повышается.

Большая заслуга в использовании методов ППД в целях упрочнения различных деталей машин, изготовленных из углеродистых, легированных, высоколегированных сталей, чугуна, цветных металлов и сплавов, закаленных, цементированных и азотированных сталей принадлежит проф. И.В.Кудрявцеву.

На рис. 8.7 приведены кривые усталости образцов из стали 40, изготовленных до обкатки шлифованием и точением, а также обкатанных роликом. В результате обкатывания роликом шлифованных и обточенных образцов предел выносливости повысился примерно на 26% и стал почти одинаков как для шлифованных, так и обточенных до обкатки образцов, т.е. 295 МПа.

Рис. 8.7. Зависимость предела выносливости обкатанных роликом образцов от метода их предварительной обработки:

а – полученный точением; б – полученный шлифованием

Контактная прочность. Считалось, что обработка ППД деталей, работающих при контактных напряжениях (поверхность катания бандажей, колес, роликов и подобных им деталей), бесполезна, так как в процессе эксплуатации у деталей возникают остаточные напряжения сжатия, что и при их обработке накатыванием. Однако работы, выполненные проф. Д.Д.Папшевым, показали высокую эффективность обкатывания шариками закаленных и цементированных сталей на контактную выносливость деталей машин. По данным, контактная выносливость закаленных и шлифованных образцов из стали ШХ15 в результате обкатывания шариком при давлении 2,8 ГПа повысилась на 60%, а цементированной стали 14Х2Н3МА – на 51%. Внедрение обкатывания шариком роликовых дорожек лап долот, изготовленных из стали 14Х2Н3МА, позволило уменьшить контактный износ примерно в 2 раза по сравнению со шлифованным.

Положительные результаты получены при алмазном выглаживании деталей подшипников. Выглаженные беговые дорожки радиально-упорных подшипников имели долговечность в 2-3 раза выше, чем шлифованные.

Износостойкость. Известно, что на износостойкость трущихся поверхностей влияет множество факторов, важнейшими из которых являются физико-механические свойства материала, микрогеометрия и шероховатость поверхности, величина давления и скорость скольжения, характер и вид смазки и ряд других параметров трения. Для повышения износостойкости деталей машин используются различные виды упрочнения: поверхностная закалка, цементация, азотирование, борирование, наплавка и металлизация и т.д. Однако наиболее простым способом повышения износостойкости является обработка деталей ППД. Высокая эффективность ППД как метода повышения износостойкости деталей, работающих в условиях трения скольжения со смазкой, в настоящее время считается общепризнанной, так как это подтверждено многочисленными исследованиями.

В качестве примера на рис. 8.8. приведены кривые износа, полученные для шлифовальных и накатанных образцов, имеющих одинаковую шероховатость и изготовленных из стали 45. Испытания проводились на машине МИ с обильной смазкой и нагрузкой 16 МПа при относительной скорости скольжения (39,5 м/мин) образца, который контактировал с чугунным притиром. Как видно из графиков, неустановившийся износ шлифованных образцов в 2,7-2,8 раза больше износа образцов, раскатанных многошариковым ротационным дорном. Уменьшение начального износа, а, следовательно, и длительности приработки вызывает повышение износостойкости обработанных образцов во время всего периода износа.

Рис. 8.8. Кривые износа наружных цилиндрических поверхностей, полученных:

1 – шлифованием; 2 – раскатыванием многошариковым ротационным дорном

Обработка ППД оказывает положительное влияние не только на упрочненную поверхность, но и на сопряженную с ней поверхность.

Износостойкость накатанных образцов в значительной степени зависит от режимов обработки, которые в каждом конкретном случае следует устанавливать экспериментальным путем. В заводской практике имеется немало примеров замены термической обработки обработкой ППД, что в связи с относительной простотой осуществления процесса накатывания дает ощутимый экономический эффект.

Обработка деталей ППД повышает также усталостную прочность в зоне прессованных посадок неподвижных соединений деталей, имеющих различные концентраторы напряжений (выточки, канавки, надрезы и т.д.), и деталей, работающих в коррозионной среде (рубашки водяного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, детали водяных насосов, судов экскаватора, буровые штанги, валки прокатных станов и др.), у которых значительно повышается коррозионно-усталостная прочность.

Таким образом, применение того или иного способа ППД с оптимальными режимами обработки во многих случаях существенно повышает эксплуатационные свойства деталей машин. Простота способов ППД и их неоспоримое преимущество (значительное уменьшение шероховатости поверхности за один проход, формирование поверхностного слоя с определенной степенью и глубиной наклепа, величиной и глубиной распространения сжимающих напряжений и т.д.) позволяют рекомендовать обработку ППД, где это возможно, как наиболее эффективный метод отделочной обработки и повышения долговечности деталей машин.

ЛЕКЦИЯ 17