Упрочнение деталей поверхностным пластическим деформированием (ППД). Сущность способа заключается в следующем. Под давлением деформирующего инструмента микровыступы (микронеровности) поверхности детали пластически деформируются (сминаются), заполняя микровпадины обрабатываемой поверхности, что способствует повышению твердости поверхностного слоя. Более того, в поверхностном слое возникают благоприятные сжимающие напряжения, что способствует повышению усталостной прочности на 30…70 %, износостойкости—в 1,5…2 раза, значительно снижается шероховатость поверхности упрочняемой детали.

К наиболее распространенным способам упрочнения ППД относятся:

-обкатка рабочих поверхностей шариками или роликами;

-алмазное выглаживание;

-дробеструйная обработка;

-ультразвуковое упрочнение;

-упрочнение наклепом.

Обкатку шариками или роликами (для внутренних поверхностей—раскатка) выполняют с помощью специальных шариковых или роликовых накаток (раскаток) на токарно-винторезных станках, при этом упрочняющий инструмент закрепляют на суппорте станка. Это перспективный способ ППД, так как способствует снижению шероховатости поверхности, микротвердость поверхностного слоя увеличивается на 40…60 %, возрастает глубина упрочненного слоя металла.

Основные параметры процесса: усилие обкатывания, продольная подача инструмента, число проходов и припуск на обкатывание.

Усилие обкатывания в каждом конкретном случае должно быть оптимальным, так как недостаточное прижатие инструмента к детали приводит к увеличению числа проходов инструмента из-за неполного смятия микронеровностей поверхности. Слишком большое усилие снижает надежность инструмента, приводит к перенаклепу поверхности и отслаиванию упрочненного слоя.

В каждом конкретном случае усилие обкатывания, можно рассчитать с последующим уточнением опытным путем. Продольная подача при работе одним шариком или сферическим роликом—0,1…0,3 мм/об. При использовании многошарикового или многороликового инструмента подачу увеличивают.

Как правило, требуемую высоту неровностей получают за один проход. При недостаточной шероховатости используют два прохода.

Алмазное выглаживание отличается от ППД обкаткой лишь конструктивными особенностями используемого инструмента, в котором рабочим элементом служат алмаз, гексанит или другие сверхтвердые материалы.

На качество алмазного выглаживания, т. е. шероховатость поверхности, степень упрочнения, твердость поверхностного слоя, влияет радиус сферической поверхности алмаза, усилие прижатия поверхности к детали, продольная подача и число проходов.

Радиус алмаза выбирают в зависимости от исходной поверхности металла, из которого изготовлена деталь. При этом для материалов твердостью НВ<300 радиус алмаза 2,5…3,0 мм; при НКСЭ 35…50- 1.5…2.5 мм и НРХЭ 50…65 - 1,3…2,0 мм, т.е. с увеличением твердости поверхности детали радиус алмаза уменьшается.

Усилие прижатия инструмента к детали также имеет большое значение. При усилии меньше оптимального микронеровности сглаживаются не полностью, а при большем поверхностный слой перенаклепывается и разрушается.

Установлено, что продольная подача инструмента зависит от вида упрочняемого материала. Для закаленных сталей она составляет 0,02…0,04 мм/об., для цветных металлов и незакаленных сталей—0,03…0,05 мм/об. Основное условие при выборе подачи—отсутствие неупрочненных участков на поверхности деталей.

Алмазное выглаживание осуществляют, как правило, за один проход, так как увеличение числа проходов не изменяет существенно шероховатость поверхности упрочняемой детали.

Упрочняющий эффект при дробеструйной обработке достигается за счет пластического деформирования поверхности детали потоком металлической дроби, поступающей к поверхности детали со скоростью 30…90 м/с. На поверхности детали образуется наклепанный слой глубиной до 0,7 мм. Шероховатость поверхности практически не изменяется, а микротвердость поверхностного слоя увеличивается на 30…35 %.

По способу подачи дроби к поверхности детали различают пневматические и механические дробеметные установки. В первом случае дробь подается потоком сжатого воздуха под давлением 0,4…0,6 МПа, во втором—вращающимся ротором (дробеметом).

Материал дроби выбирают в зависимости от материала упрочняемой поверхности. Для стальных деталей используют дробь из отбеленного чугуна или стальной пружинной проволоки, для деталей из цветных металлов и сплавов—стальную или алюминиевую дробь.

Способ упрочнения дробеструйной обработкой эффективен для сложных деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок. В практике этим способом упрочняют листы рессор, пружины, зубья колес, сварные швы.

Ультразвуковое упрочнение относится к импульсивным способам деформирования наружной поверхности восстанавливаемых деталей.

При ультразвуковом упрочнении рабочая часть инструмента, выполненная из твердосплавных материалов ВК8, Т15К6 или закаленных сталей ШХ15 с Ка = 0,02…0,08 мкм и радиусом закругления 8 мм, прижимается к обрабатываемой детали с помощью груза с усилием 300…400 Н и приобретает ультразвуковые колебания, создаваемые ультразвуковым генератором, магнитострикционным преобразователем и коническим концентратором.

Под действием сил—статической (усилия прижатия инструмента к детали) и в большей степени динамической, создаваемой колебательной системой,—пластически деформируется поверхностный слой детали, что повышает поверхностную микротвердость в 1,5…2 раза с глубиной упрочнения 0,3…0,4 мм; снижается шероховатость поверхности; в ней создаются благоприятные напряжения сжатия.

Частота колебаний инструмента 18…24 кГц, амплитуда колебаний 10…20 мкм, скорость обработки поверхности детали 0,9… 1,0 м/с. Продольная подача инструмента S = 0,125 мм/об. С целью уменьшения износа инструмента и повышения производительности процесса при упрочнении используют смазочно-охлаждающую жидкость—индустриальное масло.

Применение ультразвукового упрочнения особенно эффективно для инструментов, зубьев колес, деталей, изготовленных из чугуна, цветных металлов и сплавов, в том числе твердосплавных, а также для деталей сложной формы, так как при ультразвуковом упрочнении не требуется использование следящей системы или копира. Такой системой является поверхность упрочняемой детали.

 Упрочнение наклепом—это местное уплотнение металла с помощью специальных отбойных молотков, приводящее к возникновению внутренних напряжений сжатия при ударе рабочего инструмента по поверхности детали. Твердость поверхности детали возрастает на 30…50 %. Глубина наклепа достигает 20…25 мм, сопротивление усталости повышается на 50…90 %, долговечность увеличивается в два раза и более.

Наклепом упрочняют как плоские поверхности (зубья колес, сварные швы), так и поверхности сложной формы (например, галтели коленчатых валов).

Упрочнение галтелей выполняют специальным пневматическим молотком КМП-14М с энергией удара 0,25…0,5 кНс•м или ручным слесарным молотком массой 0,8 кг со специальными бойками, размеры которых должны соответствовать размерам галтелей.

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ, ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ППД

3. СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ

Усталость (ГОСТ 23207—78) подразделяют на многоцикловую и малоцикловую. При малоцикловой усталости усталостные раз­рушения происходят в результате приложения малого числа цик­лов (порядка сотен тысяч) при повышенных напряжениях При многоцикловой усталости материала усталостное разрушение протекает в основном при упругом деформировании, в случае малоцикловой усталости — при упругопластическом деформи­ровании

Путем ППД повышают сопротивление обычной и малоцикловой усталости при воздействии как низких, так и высоких (до t = 800 °С) температур и при различных схемах нагружения (из­гиб, растяжение—сжатие, кручение и т. д.) Это обусловлено следующими основными факторами созданием остаточных сжи­мающих напряжений в поверхностном слое, получением благо­приятных по форме микронеровностей и минимального (для большинства методов) параметра шероховатости поверхности; положительными микроструктурными изменениями в поверх­ностном слое металла; созданием направленной текстуры металла в поверхностном слое.

Особенно благоприятно применение ППД для деталей, имею­щих концентраторы напряжений Концентраторы напряжений подразделяют на два вида конструкторские (галтели, кольцевые и шпоночные канавки, поперечные отверстия, выточки и т. д) и технологические (риски, вырывы металла, поры или включения в металле, микро- и макротрещины, образованные в заготовках или при их механической обработке, прижоги вследствие шлифо­вания, резкий переход в зоне раздела различных структур и др.). Пределы выносливости деталей с концентраторами напряжений повышаются вследствие ППД в 2 раза и более. Обработка ППД може1 полностью нейтрализовать неблагоприятное воздействие концентраторов напряжений.

Методы ППД применяют для повышения сопротивления уста­лости деталей любых размеров При этом эффект упрочнения с увеличением поперечных размеров деталей не только не сни­жается, но в ряде случаев повышается.

Применение методов ППД эффективно для упрочнения: тор-сионных валов с мелкими треугольными шлицами (обрабатываются стебли валов, галтели и впадины шлицев); зубчатых колес; колен­чатых валов двигателей всех типов и размеров, в том числе круп­ногабаритных из чугуна с шаровидным графитом; шатунов; силовых шпилек и болтов, пружин, рессор и т. д. Особенно эф­фективно использование ППД деталей авиационной техники, для которых характерно циклическое нагружение.

4. ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ

Различают три вида изнашивания механическое, молекулярно-механическое и коррозионно-механическое Наиболее распро­странено механическое изнашивание. Разновидностями его яв­ляются абразивное, гидроабразивное, эрозионное, усталостное и кавитационное изнашивание

Большое влияние на износостойкость при изнашивании всех видов оказывает микрогеометрия поверхности. Причем если, например, сопротивление усталости повышается с уменьшением шероховатости, то для деталей, работающих на износ, существует оптимальный параметр шероховатости, при котором износостой­кость наибольшая.

На рис. 2 показана типовая зависимость износа от шероховатости поверхности для более трудных (/) и менее трудных (2) условий трения. Наличие оптимального параметра шероховатости объясняется двойственной природой трения — в месте контакта поверхностей происходит адгезионное (молекулярное) схватывание металла и механическое взаимодей­ствие микронеровностей. В области, лежащей слева от оптималь­ного параметра шероховатости, преоб­ладает молекулярное схватывание а в области, лежащей справа, преобла дает механическое взаимодействие.

Большинство методов ППД не только снижает параметр шероховатости в 5—10 раз, но н создает благоприятную для изно-состойкости форму микронеровностей, которая ближе, чем при других методах окончательной обработки, к форме микронеров­ностей, образующихся после приработки. Это повышает износо-стойкость и сокращает период приработки.

Большое влияние на износостойкость оказывают твердость поверхности, микроструктура, состав металла. Износостойкость сталей прямо пропорциональна их истирающей способности, кото­рая связана непосредственно с твердостью.

Обработка деталей ППД увеличивает поверхностную твер­дость до 40—70 %, в результате чего практически во всех слу­чаях повышается износостойкость.

5. СОПРОТИВЛЕНИЕ СХВАТЫВАНИЮ МЕТАЛЛА

Из трех состояний смазываемой поверхности (трение без смазочного материала, граничная и гидродинамическая смазка) для тяжелонагруженных пар трения наиболее характерно гра­ничное состояние смазки, при котором толщина масляной пленки оценивается величиной от десятых долей микрона до нескольких микрон. При изнашивании или нарушении масляной пленки одно­временно происходит обратный процесс — ее регенерация. Для этого необходим некоторый запас смазочного материала, кото­рый может находиться во впадинах микрорельефа или в специ­альных углублениях на поверхности трения.

Рис. 3. Схема каналов на поверхности детали с виброобкатанной поверхностью

Регулярный микрорельеф поверхности, создаваемый ви-брообкатыванием, обеспечивает снижение износа тяжелонагруженных пар, к которым относится, например, поршень двигателя внутреннего сгорания.

Сопряженные детали некоторых ответственных узлов машин работают в условиях относительных перемещений с амплитудой от нескольких микрон до миллиметра, которые возникают вслед­ствие вибрации, возвратно-поступательных движений, периоди­ческих изгибов или скручивания сопряженных деталей.

6. КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ

Коррозионные повреждения деталей машин происходят в ре­зультате химического или электромеханического воздействия окру­жающей среды. Их подразделяют на атмосферную, газовую коррозию и коррозию в воде или электролитах. При коррозии металл превращается в окислы.

При атмосферной коррозии частицы влаги на поверхностях образуют микрогальванические элементы, что приводит к возник­новению окислов железа в виде пленок и точечных повреждений поверхностей. Атмосферной корро­зии подвержены многие детали гу­сеничных машин, экскаваторов, электровозов, бульдозеров, вагонов.

После обработки ППД, как прави­ло, происходит сглаживание неровно­стей исходной поверхности и образо­вание микрорельефа с впадинами, радиус которых значительно больше чем у поверхностей, обработанных любым методом резания, что опреде­ляет меньшую концентрацию в них продуктов, вызывающих корро­зию. В результате коррозионная стойкость повышается. С дру­гой стороны, неоднородный характер пластического деформи­рования приводит к возникновению разности потенциалов между неодинаково деформированными кристаллами, т. е. к образованию множества гальванических пар, являющихся причиной коррозии, и коррозионная стойкость снижается. Именно это во многих случаях заставляет воздержаться от применения ППД. Однако обработкой ППД при правильном ведении процесса можно не только избежать снижения коррозионной стойкости, но даже заметно ее повысить.

Повышение коррозионной стойкости обеспечивают статические методы, создающие небольшие глубины упрочнения, сильно сни­жающие шероховатость поверхности, при которой микронеровности имеют сглаженный характер без глубоких впадин (алмазное выглаживание, обкатывание шариковым инструментом и в мень­шей степени упругое накатывание роликом).

7. СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНТАКТНОЙ УСТАЛОСТИ

Повышению контактио-усталостной выносливости способствуют следующие параметры поверхностного слоя: сглаженная форма микронеровностей: большая твердость; мелкодисперсная струк­тура и сжимающие остаточные напряжения. Такие параметры поверхности достигаются при обработке ППД.

Детали, работающие в условиях контактного нагружения, изготовляют из высокопрочных материалов, они проходят обычно химико-термическую обработку до получения HRC 55—62. По­этому упрочнение их накатыванием шариком и роликовым инстру­ментом, а также с помощью некоторых других методов ППД (по­верхностное дорнование, виброударная обработка), как правило, неэффективно. Целесообразнее в данном случае обработка дробью (микрошарикамн) и алмазное выглаживание. Обработкой дробью упрочняют зубчатые колеса и другие детали сложной кон­фигурации, а детали простой и правильной геометрической формы обрабатывают алмазным выглаживанием.

Поскольку после обработки дробеударными методами полу­чаются одинаковые структурные изменения поверхностного слоя металла, то они почти одинаково влияют на контактную выносли­вость деталей (пневмодробеструйное, гидродробеструйное упроч­нение и упрочнение микрошариками).