Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической. Поверхностное пластическое деформирование используют для повышения
сопротивления усталости и твердости поверхностного слоя металла, а также для
формирования в этом слое направленных внутренних напряжений (преимущественно напряжений сжатия) и образования регламентированного рельефа микронеровностей на поверхности.
Пластическая деформация происходит только под действием касательных напряжений, достаточных для необратимого перемещения атомов в кристаллической решетке. При пластической деформации в кристаллической решетке металла под действием касательных напряжений происходит необратимое изменение атомов. После снятия напряжений в теле наблюдаются остаточные изменения формы и размера, причем сплошность тела не нарушается. В результате развития пластической деформации может произойти разрушение вязкое путем сдвига.
В кристаллической решетке сдвиг (скольжение) происходит по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов. Эти плоскости называются плоскостями скольжения и зависят от типа решетки. Чем больше элементов сдвига в решетке, тем выше пластичность металла.
Скольжение – смещение одной части кристаллита или зерна относительно другой по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям. Плоскости скольжения I-I представляют собой плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов, а направлениями скольжения являются направления, по которым межатомное расстояние минимально. Чем больше в металле плоскостей и направлений скольжения, тем пластичнее металл.
Двойникование – поворот одной части кристалла относительно плоскости двойникования II-II в положение зеркального отображения. Двойникование чаще всего наблюдается при пониженной температуре обработки и динамическом (ударном) деформировании металлов с гексогональной решеткой.
Наклеп. Пластическое деформирование, выполняемое без использования внешней теплоты для обеспечения нужного комплекса свойств поверхностного слоя, называют наклепом, а слой металла, в котором проявляются эти свойства, соответственно – наклепанным.
В результате наклепа повышаются все характеристики сопротивления металла деформации, понижается его пластичность и увеличивается твердость. Наклеп поверхности выполняют бомбардированием ее струей стальной или чугунной дроби и шариков, а также суспензией, содержащей абразивные частицы; обкатыванием роликами, шарами или ротационным инструментом; чеканкой.
Обкатку роликами или шариками осуществляют с помощью различных приспособлений, устанавливаемых на токарных или строгальных станках. Приспособления изготовляют одно- или многороликовыми. Давление роликов или
шариков создают механическим (пружинным) или гидравлическим способом. Пружинящие элементы тарируют, что дает возможность нормировать давление на ролики. Обкатку роликами или шариками применяют при обработке деталей типа осей, валов и других деталей, имеющих форму тел вращения, реже – плоские поверхности. Устанавливают следующие параметры упрочняющей обкатки роликами: давление на ролик, форму и размеры ролика, продольную подачу и скорость обкатки.
Поверхностная твердость обрабатываемого материала и глубина пластической деформации зависят от режимов упрочнения, физико-механических свойств, структуры и химического состава материала. Наибольшее влияние на поверхностную твердость оказывает давление деформирующего элемента в месте контакта с обрабатываемой деталью и кратность приложения этого давления. Упрочнению роликами подвергают развертки, зенкеры и фрезы, изготовленные из сталей Р18 и Р9, после термообработки и шлифования. В качестве деформирующих элементов используют ролики высокой твердости (из стали ХВ4) с прямолинейной или криволинейной образующей.
Обработка инструмента и деталей технологической оснастки методом
алмазного выглаживания. Эту операцию применяют для упрочнения изделий твердостью до 65 HRC, а также вместо операции окончательного шлифования, полирования, доводки и суперфиниширования поверхности. Метод универсален и широко применяется для обработки стальных закаленных или термически не упрочненных деталей, с поверхностными покрытиями и без них, а также деталей из цветных металлов, их сплавов, высокопрочных чугунов. Выглаживание выполняют специальными инструментами – выглаживателями, оснащенными сфероидальными, трапециевидными или конусообразными деформирующими элементами, изготовленными из синтетических сверхтвердых материалов – карбонада, гексанита-Р, эльбора-Р и других материалов, реже – из природных алмазов или твердых сплавов.
В инструментальном производстве алмазное выглаживание используют при обработке колонок и направляющих втулок штампов для холодной штамповки, пуансонов, вкладышей пресс-форм, формообразующих поверхностей вытяжных штампов, зубьев круглых деформирующих, уплотняющих протяжек, прошивок, мерительных поверхностей и калибров-пробок. Износостойкость выглаженной поверхности увеличивается в 2-3 раза по сравнению со шлифованной и на 20- 40% по сравнению с полированной; износостойкость и контактная выносливость выглаженной хромированной поверхности на 35-50% выше полированной.
Гидроабразивное упрочнение. Наклеп поверхностного слоя струей суспензии (жидкость с абразивными частицами) применяют для случаев, когда необходимо получить упрочненный слой небольшой глубины. Подача абразивной суспензии к соплам установок для гидроабразивной обработки осуществляется в зависимости от конструктивных особенностей и типа установки самотеком, инжекцией сжатым воздухом или под давлением с помощью насоса. Гидроабразивное упрочнение стальных и твердосплавных инструментов. Гидроабразивная обработка поверхностных слоев инструментальных материалов позволяет ликвидировать большинство из указанных дефектов и тем самым увеличить стойкость инструментов на 25-40%. Длительность процесса обработки в центробежно-планетарных машинах 40-60 мин. В процессе обработки обеспечивается создание упругих деформаций сжатия, оказывающих положительное влияние на стойкость инструмента. Процесс экономически эффективен даже при малых партиях упрочняемого инструмента. Упрочнение чеканкой состоит в упорядоченном ударном воздействии на упрочняемую поверхность специальными бойками механизированного инструмента – пневматического, электрического или механического.
Ротационную чеканку используют для упрочнения деталей с малой жесткостью или для обработки внутренних поверхностей.
Вибрационно-упрочняющая обработка (чеканка) является разновидностью метода чеканки деформирующими бойками. Продолжительность вибрационной обработки не должна превышать 200 мин; ее можно уменьшить, увеличивая частоту и амплитуду колебаний, изменяя характер рабочей среды и искусственно увеличивая массу детали.
Вибрационное упрочнение твердых сплавов наиболее эффективно при выполнении варианта – виброабразивная обработка с последующим виброупрочнением в среде, содержащей в качестве наполнителя твердосплавные шарики; виброабразивную обработку осуществляют в абразивных средах – из порошков и боя абразивных кругов белого и хромистого электрокорунда, черного карборунда, отработавших пластин минералокерамики (например, марки ЦМ332).
При виброупрочнении твердосплавных изделий несложной конфигурации форма обрабатывающих тел не оказывает существенного влияния на эффективность обработки.
Производительность виброобработки, качество обработанной поверхности и эксплуатационные свойства твердосплавных изделий зависят от режимов обработки (частоты и амплитуды колебаний контейнера, продолжительности процесса) и от природы обрабатывающих сред.
Упрочняющая обработка поверхностей металлическими щетками проводится с использованием вращающихся металлических щеток различных конструкций, в том числе с лепестковыми рабочими элементами, иглофрезами, торцовыми щетками, лепестковыми кругами, нейлоновыми вращающимися щетками с ударными элементами в виде шайб, звездочек, пластин, скрепленных прядей троса, а также секционными и пучковыми щетками, виброторцовыми и торцовыми щетками с ударными элементами. В качестве рабочих элементов чаще всего используют металлическую проволоку диаметром 0,2-0,8 мм, соединенную в пучки и размещенную между фланцами. Дисковыми щетками обрабатывают все виды поверхностей. Сглаживание поверхности в основном происходит при мягких режимах обработки, т. е. при малой жесткости проволочных элементов, незначительном натяге, больших скоростях обработки и т. п.
При встречной обработке рельеф поверхности формируется в основном за счет ударов, уколов, создаваемых проволочными элементами на линии атаки. Микрорельеф поверхности при попутной обработке формируется в результате скольжения и трения рабочих элементов по обрабатываемой поверхности. Царапание поверхности и микрорезание выполняют при повышенной жесткости рабочих элементов щеток.