Упрочнение деталей поверхностным пластическим деформированием

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ФГБОУ  ВПО «ВГТУ», ВГТУ) 

Факультет: Вечернего заочного обучения

Кафедра: Технология машиностроения 
 
 

Реферат 

На тему: Упрочнение деталей поверхностным  пластическим деформированием 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Воронеж 2012

Содержание

       1 Введение          3

       2 Упрочнение поверхностным пластическим деформированием   
 
 
 
 

       Упрочнение поверхностным пластическим деформированием 

       Поверхностное пластическое деформирование 

       (ППД)  — это метод обработки деталей  без снятия стружки, при котором  пластически деформируется только  поверхностный слой деталей. В результате ППД уменьшается шероховатость поверхности, увеличивается твердость (микротвердость) металла, в поверхностном слое детали возникают сжимающие остаточные напряжения.

       Это улучшает эксплуатационные показатели детали ППД — повышается выносливость деталей в 1,5—2,3 раза, сопротивление схватыванию, контактная выносливость, и другие эксплуатационные показатели изделия.

       Особенно  эффективным является упрочнение деталей, имеющих конструктивные или технологические концентраторы напряжений, выточки, галтели и др.

       Достоинством  ППД является технологическая универсальность  и экономичность метода. По характеру взаимодействия инструмента с деталью методы ППД подразделяется на статические и ударные.

       Статическое ППД осуществляется перемещением инструмента  вдоль обрабатываемой поверхности с постоянной или закономерно изменяющейся силой деформирования Р или глубиной внедрения Лд (рис. 1, а). В зоне контакта инструмента с деталью образуется область пластического течения — очаг деформации (ОД), размеры которого зависят от технологических факторов.

       При перемещении инструмента последовательно  деформируется поверхностный слой детали. Ударное ППД осуществляется нанесением инструментом случайно распределенных (рис. 1, б) или регулярных ударов (рис. 1, в) по детали.

       Размеры ОД зависят от кинетической энергии, сообщаемой инструменту. Обработку ведут так, чтобы пластические отпечатки покрыли обрабатываемую поверхность с определенной степенью перекрытия. Физические представления об упрочнении деталей ППД.

       Основным  механизмом холодной пластической деформации металлов и сплавов является внутризеренное сдвиговое перемещение одних частей кристалла относительно других, осуществляемое с помощью многочисленных видов движения дислокации по плоскостям скольжения.

       С накоплением деформации дислокации размножаются, взаимодействуют между  собой и другими дефектами  кристаллического строения, в результате чего их движение затрудняется, а напряжение пластического течения и твердость металла ( = 0,32 НВ) растут.

       Увеличение  сопротивления пластической деформации называется деформационным упрочнением (наклепом) (рис. 2).

       Зависимость от степени деформации сдвига Г определяется опытами на растяжение, сжатие или  др., однако, согласно гипотезе о единой кривой упрочнения , эта зависимость будет справедлива и для ППД.

       Если  пластическая деформация сопровождается значительным выделением тепла, то это может привести к снижению , т.е. к разупрочнению.

       Рис. 1. Схемы статического (а) и ударного (б) и (в) ППД

       Рис. 2. Кривые упрочнения 

       Скорость  деформирования в диапазоне 10х4...10х2 см-1 мало изменяет вид зависимости , однако при больших скоростях  возрастает, что надо учитывать при  ударных методах ППД. После достижения определенного значения Г рост практически прекращается.

       Для каждого материала имеется такое  значение накопленной деформации, превышение которого не приводит к дальнейшему упрочнению металла. Более того, при чрезмерном увеличении произойдет сильное снижение ресурса пластичности металла и, как следствие, снижение эксплуатационных характеристик детали.

       Степень деформационного упрочнения металла определяется приращением твердости (или с): где И и Нцсх — твердость (микротвердость) упрочненного и исходного металла соответственно.

       Параметры состояния поверхностного слоя деталей, наиболее существенно влияющие на их долговечность (шероховатость, степень и глубина упрочнения, остаточные напряжения, степень исчерпания ресурса пластичности металла и др.), зависят от размеров и напряженно-деформированного состояния ОД, накопленной деформации, которые, в свою очередь, зависят от материала детали и технологии ППД.

       В результате проведения технологических  и ресурсных экспериментов устанавливают математические зависимости, связывающие параметры состояния поверхностного слоя с режимами ППД — с одной стороны, и характеристикой конструкционной прочности детали — с другой стороны.

       Более глубокому пониманию этих связей способствует проведение экспериментов с использованием расчетно-экспериментальных методов механики сплошных сред и теории обработки металлов давлением.

       В качестве примера приведены результаты исследования методом координатных сеток процесса обкатывания вала роликом, которые показывают изменения вдоль очага деформации АВСЕД (по линии тока а—в) , скорости относительных удлинений скоростей деформации сдвига Г ', накопленной деформации сдвига Г (Г = Г'), степени исчерпания ресурса пластичности, а также, параметров напряженного состояния и показателя напряженного состояния П.

       Подобные  результаты позволяют не только установить важные технологические закономерности упрочнения, но и являются основой для построения адекватной расчетно- технологической модели, которая является основой моделирования процесса ППД на ЭВМ и оптимизации технологических решений.

       В общей постановке задача моделирования  ППД включает в себя решение нескольких подзадач: определение размеров и  формы ОД, расчет поля напряжений и скоростей деформаций в ОД, определение траекторий смещения частиц металла в ОД и расчет вдоль этих траекторий as, Г, 6, степени исчерпания ресурса пластичности металла у, остаточных напряжений и др.

       Обработка результатов моделирования позволяет  получить ряд важных выводов, во многом справедливых и для других методов ППД, которые являются основой технологических расчетов:

       • степень деформации сдвига (накопленная  деформация) поверхностного слоя и  глубина упрочнения зависят от размеров очага деформации, главным образом от размеров пластического отпечатка d и его кривизны Rnp , где d — параметр очага деформации; Rnp — профильный радиус инструмента;

       • степень деформационного упрочнения металла и контактные напряжения зависят от накопленной деформации и кривой упрочнения данного металла;

       • контактные напряжения в соответствии с кривой упрочнения металла после достижения определенного значения степени деформации стабилизируются, приближаясь по своей величине к твердости металла НВ;

       • оптимальная степень деформации сдвига поверхностного слоя Г = 0,5...0,8 (степень  деформации е = Г / v3 ).

       Статические методы ППД. К статическим методам ППД относятся: накатывание, выглаживание, дорнование (деформирующее протягивание), поверхностное редуцирование.

       Накатывание подразделяется на обкатывание , т.е. накатывание  вала выпуклой или плоской поверхности, и раскатывание — накатывание отверстия или вогнутой поверхности .

       Для накатывания применяют стандартные  шарики или ролики различной конструкции  и профиля, изготовляемые из сталей ШХ15, 18ХВГ, 8Х4В9Ф2, Р18, Р6М5 и др., твердостью 60...62 HRC.

       Предварительная обработка — точение, растачивание, фрезерование или шлифование. Твердость детали не более 45 HRC. Простейшие однороликовые или одношариковые накатные приспособления снабжены упругим элементом для поддержания постоянства силы накатывания. Эти приспособления устанавливают в резцедержателях металлообрабатывающих станков, в том числе с ЧПУ.

       Для повышения производительности в  массовом производстве используют многоинструментальные приспособления или специальные станки, например, для бесцентрового обкатывания, в которых сила обкатывания обеспечивается гидравлически.

       Для чистовой обработки в массовом и  серийном производствах широко используют многороликовые инструменты , в которых ролики (или шарики) устанавливают в сепараторе.

       Размер  настройки роликов, определяющий натяг, а следовательно, степень деформации поверхностного слоя, регулируется перемещением опорных конусных элементов.

       Поверхности малой протяженности, в том числе  фасонные, обкатывают с радиальной подачей ролика, профиль которого соответствует профилю детали. При использовании рифленого ролика профиль рифлений переносится на деталь.

       Накатывание зубчатых колес и резьб осуществляется фасонным инструментом, как правило на специальных станках. По своему назначению накатывание подразделяется на сглаживающее, упрочняющее, рельефообразующее.

       Сглаживающее  ППД применяется для получения малой шероховатости поверхности, упрочняющее — достаточной толщины поверхностного слоя с высоким уровнем деформационного упрочнения и сжимающих остаточных напряжений.

       Сглаживающая  и упрочняющая обработки различаются  главным образом режимами деформирования и формой рабочей части ролика. Для упрочняющей обработки используют ролики кругового профиля с малым (3...8 мм) профильным радиусом, для чистовой ~ большим профильным радиусом или  конические ролики малого диаметра (6...20 мм).

       Шарики, благодаря своей простоте и доступности, используют в единичном и серийном производствах.

       Выглаживание — метод ППД, осуществляемый при скольжении инструмента по поверхности деформируемого материала. В качестве инструмента для выглаживания применяют наконечники различной формы.

       Материал  наконечника — алмаз или сверхтвердые синтетические материалы. Наиболее часто в машиностроении используют процесс алмазного выглаживания (АВ).

       Отличием  алмазного выглаживания от накатывания  является высокая твердость и малый профильный радиус деформирующих инструментов (0,5...4 мм). Это позволяет осуществлять локальное деформирование поверхностного слоя с малыми силами. В связи с этим рациональная область использования алмазного выглаживания — обработка закаленных деталей, сверхтвердых покрытий или деталей, имеющих малую жесткость.

       Для АВ применяют, как правило, упругие  державки, устанавливаемые на универсальные или специальные металлообрабатывающие станки. Точность обработки при накатывании и выглаживании упругим инструментом остается на уровне исходной.

       При работе жестким инструментом она  на 10... 15 % увеличивается за счет неравномерного сглаживания шероховатости. Управляющими технологическими факторами накатывания и выглаживания, влияющими на шероховатость и упрочнение, являются: радиальная сила деформирования Р (или заданный натяг h, если обработку осуществляют жесткими инструментами), подача S, диаметр ролика (шарика) Z)p, профильный радиус инструмента (в плоскости подачи), скорость Vy шероховатость поверхности заготовки RZHCX.» количество деформирующих инструментов в наладке Z, число рабочих ходов и др.

       Основными технологическими факторами накатывания  и выглаживания являются сила деформирования Р, подача S и профильный радиус инструмента R.

       Применяют два подхода к расчету режимов  упрочнения: с использованием эмпирических зависимостей и по параметрам очага  деформации.

       В последнем случае силу Р выбирают из условия обеспечения степени деформации сдвига Гопт=0,5...0,8 и глубины упрочнения в диапазоне hs= (0,02...0,1) от радиуса детали.

       Расчет  Р при упрочняющем накатывании  роликом с подачей и при выглаживании осуществляется по следующему алгоритму:

       • определяют параметр d ОД необходимый  для обеспечения требуемого значения hg: d = hs/2,25;

       Проверку  правильности выбранной силы осуществляют при отладке процесса или измерением микротвердости поверхностного слоя или профилографированием очага деформации и измерением на профилограмме d.

       При накатывании жесткими инструментами  заданный натяг h выбирают в диапазоне 0,03...0,3 мм в зависимости от исходной шероховатости, точности заготовки и жесткости инструмента.

       Подача  влияет, с одной стороны, на производительность процесса, а с другой, — на шероховатость поверхности. Подачу выбирают из отношения d/S на один ролик, равной 2...6. При использовании многороликовых приспособелений подачу увеличивают в Z раз, где Z — число роликов.

       Скорость  накатывания и выглаживания мало влияет на параметры упрочнения и  выбирается в диапазоне 30—150 мм/мин. Малые скорости снижают производительность обработки, а большие приводят к  повышению температуры поверхностного слоя и, как следствие, — к снижению упрочнения.

       Накатывание и выглаживание следует осуществлять за один рабочий ход. Смазочно-охлаждающая  технологическая среда — машинное масло, сульфофрезол. ППД чугуна осуществляют без охлаждения. Подачи на оборот (мм) при чистовом обкатывании роликами кругового профиля.

       Вибронакатывание — это рельефообразующая обработка, осуществляемая стальными закаленными шариками с наложением на инструмент дополнительных осциллирующих движений для получения на обрабатываемых поверхностях регулярных микрорельефов.

       В зависимости от траектории движения инструмента на поверхности детали образуются канавки различного рисунка. При использовании в качестве инструмента алмазных выглаживателей процесс называют вибровыглаживанием.

       Основное  назначение вибронакатывания — повышение  стойкости и задиростойкости, улучшение  прирабатываемости, уменьшение момента  трогания, повышение гидроплотности, нанесение декоративного рельефа, увеличение жесткости листовых материалов и др.

       Вибронакатывание  осуществляется на металлообрабатывающих станках, преимущественно токарных. Осцилляционное движение создается устройствами различных видов.

       Существует  большое количество типов устройств  для вибронакатывания, отличающихся траекторией движения инструмента (эксцентричное вращение, сложное движение и т.д.) и характером привода вибратора (механический, электромагнитный, гидравлический и т.д.).

       Нанесение микрорельефа возможно также другими  методами: накатыванием фасонными роликами, регулярными ударами и др.

       Управляющие параметры вибронакатывания: сила JP, амплитуда колебаний инструмента а, частота двойных ходов инструмента N, радиус шара или радиус алмазного выглаживателя частота вращения детали п и подача S назначаются по заданным характеристикам микрорельефа: виду рельефа, ширине b и глубине h канавок, относительной суммарной площади канавок F, Силу обработки выбирают в основном исходя из глубины канавок, заданной для определенного радиуса инструмента.

       Радиус  инструмента (1...15 мм) выбирают в зависимости  от ширины и глубины канавок, жесткости детали и твердости обрабатываемого материала. Оптимальная площадь канавок F= 35...45% от номинальной.

       Амплитуду колебаний инструмента назначают  в диапазоне а = 0...4 мм; частоту  колебаний N = 900...3000 дв.ход/мин. Величины п и S назначают исходя из заданного рисунка микрорельефа и возможности станка. Накатывание и выглаживание существенно повышают конструкционную прочность деталей.