УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

Для повышения конструкционной прочности деталей машин широко применяют поверхностное пластическое деформирование (статическое и динамическое), реализуемое различными способами. Такое упрочнение оказывается наиболее эффективным для деталей сложной формы или изготовленных из твердых материалов, а также при наличии концентраторов напряжений.

Эти способы упрочнения основаны на получении поверхностных сжимающих напряжений за счет неоднородной упругопластической деформации (растяжения поверхностных слоев детали) в зоне контакта детали и цилиндрического или сферического инструмента (ролика, шарика, дорна и т. или рабочего тела (например дроби). Деформирование поверхностных слоев облегчается при скольжении или качении прижатого инструмента по поверхности детали, так как за счет сил трения увеличивается интенсивность напряжений в зоне контакта. Для повышения стойкости инструмента его изготовляют из более прочного материала, чем обрабатываемая деталь. Эффективным оказывается использование материалов с высоким модулем упругости. Дробь изготовляют и из менее прочного материала (чугун, стекло, неметаллы и др.), так как в момент соударения она работает в условиях сжатия.

Упрочнение деталей машии дробью широко распространено во многих отраслях машиностроения. Этому в значительной мере способствовали высокая производительность, небольшие затраты на специальное оборудование и возможность эффективного упрочнения разнообразных деталей из различных материалов, особенно деталей сложной конструкции, когда применение других видов обработки затруднено.

Остаточные напряжения в поверхностных слоях деталей возникают в результате неоднородной упругопластической деформации поверхностных слоев от ударов дроби.

Рис. 6. Зависимость прогибов в контрольных образцах после пневмодробеструйной обработки от длительности наклепа при различных давлениях воздуха:

В зависимости от способа передачи кинетической энергии дроби различают несколько методов упрочнения дробью.

Пневмодробеструйнж упрочнение деталей осуществляется на универсальных установках, в которых кинетическая энергия струи сжатого воздуха передается дроби. Интенсивность наклепа и размеры ядра распыла дроби зависят от диаметра форсунки и насадки сопла.

Для обработки применяют литую стальную дробь диаметром мм. Если обрабатываемая деталь имеет галтели, то диаметр дроби где минимальный радиус упрочняемой галтели.

Упрочнение деталей из сталей и сплавов осуществляют при давлении воздуха в течение 1—3 мин. Время обработки устанавливают экспериментально на контрольных образцах из того же материала. Продолжительность обработки, после которой прогиб контрольного образца не изменяется, определяет время наклепа [2]. На рис. 6 показана зависимость прогибов контрольных образцов из стали от длительности наклепа при односторонней обработке. В данном примере при мин достигается оптимальная степень наклепа и сплошность обработки.

Пневмодробеструйной обработке подвергают свариые соединения (швы и околошовные зоны), зубчатые колеса из закаленных цементованных сталей, корпусные и другие детали машин.

При упрочнении плоских сварных образцов из сплава дробью диаметром мм при мин создаются сжимающие напряжения (рис. 7) и ликвидируются растягивающие остаточные напряжения от сварки. Эпюры осевых сжимающих напряжений, построенные для трех образцов, имеют подповерхностный максимум, характерный для деталей, прошедших упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием. Сопротивление усталости в результате такой обработки повысилось в 2 раза [3].

Пневмодикамическое упрочнение является разновидностью пневмодробеструйного упрочнения. В отличие от последнего пневмодинамический способ обработки позволяет проводить местное упрочнение больших деталей или полное поверхностное упрочнение небольших деталей, помещенных в замкнутую камеру (рис. 8). В нижней части камеры размещаются шарики диаметром мм из стали

При подаче сжатого воздуха к соплам (или щелевидному соплу) образуются многочисленные струи, которые подхватывают стальные шарики и направляют их на упрочняемую поверхность. Отраженные от детали шарики попадают либо сразу в днище, либо устремляются к экрану и от него к днищу.

Зона эффективного упрочнения в камере расположена на расстоянии 60—80 мм вверх от сопла.

Массу шариков для камеры и продолжительность обработки устанавливают экспериментально по контрольным образцам. Обычно мин.

Такой способ обработки часто применяют для упрочнения сварных соединений

Рис. 7, Зависимость осевых остаточных напряжений в образцах от глубины стравленного слоя

Рис. 8. (см. скан) Схема камеры для пневмодинамической обработки деталей

шлицевых хвостовиков валов и т. д.

Гидродробеструйноеупрочнекие. Особенность этого вида упрочнения состоит в снижении параметров шероховатости поверхности, что важно для зубчатых колес, лопаток компрессора, трубопроводов и др. Обработка деталей осуществляется струей трансформаторного масла при давлении и стальными шариками. Благодаря применению масла (и других смазывающе-охлаждающих жидкостей) понижается температура в зоне контакта шариков с поверхностью и исключается трение без смазочного материала. Образующаяся пленка защищает впадины на поверхности детали, выступы (гребешки) деформируются.

На рис. 9 приведены графики изменения тангенциальных остаточных напряжений по глубине цементованного слоя при различной обработке выкружки зубьев (табл. 1) колес из стали (число зубьев модуль мм, коэффициент смещения угол профиля исходного контура , ширина зуба ).

Зубья нарезали червячной фрезой с протуберанцем, создающим искусственное поднутрение зубьев, которое позволяет осуществлять шлифование эвольвентного участка зубьев со свободным выходом круга в зоне переходной поверхности.

Анализ результатов наглядно иллюстрирует эффективность дробеструйной обработки. При шлифовании уменьшаются остаточные напряжения в поверхностных слоях. Наибольшие сжимающие напряжения действуют в нешлифованных переходных поверхностях; сопротивление усталости зубьев оказывается наибольшим. Увеличение давления масла не влияет на сопротивление усталости зубьев. Следует отметить стабильное снижение параметров шероховатости от мкм до мкм.

Рис. 8. Графики изменения кольцевых остаточных напряжений во впадинах зубьев по глубине цементованного слоя

1. Результаты влияния технологии обработки переходной поверхности зубьев колес на остаточные напряжения и выносливость зубчатых передач

(см. скан)

Виброгалтовка (вибрационная обработка) является разновидностью гидродробеструйнон обработки. Она проводится в контейнере, жестко закрепленном на столе трехкоординатной виброустановки, стальными шариками диаметром 2,5-5 мм и растворителем. Частота колебаний стола 20—40 Гц, амплитуда 3—6 мм.

Таким образом осуществляют упрочнение сепараторов подшипников, лопаток турбин и др. После виброобработки уменьшается шероховатость поверхности и повышается выносливость деталей за счет абразивного и упрочняющего действия рабочих тел смеси [3].

Виброгалтовку рекомендуется проводить после гидродробеструйной обработки для доупрочнения и зачистки кромок деталей. Такая технология упрочнения позволяет на 50% повысить предел выносливости компрессорных лопаток из сплава ВТ9 [3].

Часто на виброустановках проводят виброшлифование деталей рабочей смесью из стальных шариков диаметром 1,6-2,5 мм, абразивных гранул, паст и растворителя.

Иногда применяют стеклянные и кварцевые шарики диаметром 0,05-0,2 мм.

Время шлифования деталей составляет 90—150 мин.

В результате виброшлифования уменьшается шероховатость, в поверхностных слоях возникают сжимающие остаточные напряжения, снижается трудоемкость слесарной обработки и т. д.

По данным работ [2, 3], виброшлифование повышает сопротивление усталости компрессорных лопаток на 25— 32% .

Упрочнение микроишриками. Для обработки тонкостенных деталей, а также деталей с малыми радиусами переходов и галтелей используют микрошарики (стеклянные, фарфоровые и др.) диаметром 0.02-0,2 мм. В результате такой обработки достигают параметров шероховатости поверхности деталей, равных 0,16-0,63 мкм.

Благодаря высокой проникающей способности микрошариков такая обработка оказывается исключительно эффективной для упрочнения резьбовых деталей, елочных хвостовиков лопаток и пазов дисков, а также других деталей сложной конфигурации.

Кинетическая энергия микрошариками сообщается с помощью центробежных дробеметов, позволяющих

Рис. 10. Графики остаточных напряжений в образцах после различных видов обработки поверхности

легко регулировать скорость полета и размеры ядра распыла дроби.

Уменьшение диаметра дроби и увеличение скорости ее полета приводит к возрастанию остаточных напряжений в поверхностных слоях и уменьшению глубины наклепа.

Возрастанию остаточных напряжений в поверхностных слоях и смещению максимума остаточных напряжений к наружной поверхности способствует смещение максимума интенсивности напряжений при контакте с деталью дроби малого диаметра вследствие уменьшения размеров площадки контакта (см. гл. 29), а также увеличение сопротивления пластическому деформированию при увеличении скорости полета дроби и уменьшение деформированного объема.

Типичные графики остаточных напряжений (рис. 10) после обработки микрошариками (кривая 3), гидродро-беструйиого упрочиеьия (кривая 2) и точения (кривая 1) образцов из титанового сплава подтверждают одно из главных преимуществ такого способа обработки.

Другое важное преимущество упрочнения микрошариками состоит в существенном сокращении длительности обработки до с при скорости полета микрошариков Меньшие значения соответствуют меньшим диаметрам шариков.

Микрошарикамн целесообразно упрочнять сепараторы и кольца подшипников, диски, зубчатые колеса, резьбовые детали и др. В результате обработки шпилек с накатанной резьбой можно на 40—50% повысить выносливость резьбовых соединений из титановых сплавов.

Обработка микрошариками обеспечивает повышение сопротивления усталости замковых соединений турбин на 20% [3].

Алмазное выглаживание в качестве отделочно-упрочняющей обработки получило широкое распространение. Упрочнение достигается пластическим деформированием обрабатываемой поверхности скользящим индентором из монокристалла синтетического алмаза (корунда, карбида кремния, карбида бора и т. п.), закрепленного в упругой (подпружиненной державке). Алмазный наконечник (индентор) выполняют в виде сферы, цилиндра и, реже, тора.

Благодаря высокой твердости алмаза и других синтетических корундов и карборундов, низкому коэффициенту трения по металлу (особенно при наличии смазывающе-охлаждающих жидкостей), низким параметрам шероховатости и хорошей теплопроводности удается обрабатывать почти все пластически деформируемые металлы (даже при получая при этом высокие эксплуатационные свойства (износостойкость, коррозионную стойкость, сопротивление усталости и др.).

Алмазное выглаживание деталей осуществляют, как правило, на токарных станках при закреплении державки в резцедержателе. Радиус сферы индентора мм. Продольная подача назначается такой, чтобы обеспечивалось перекрытие поверхностью индентора линий контакта Скорость выглаживания в пределах 35—45 м/мин обеспечивает минимальное изнашивание алмаза и плавное смятие микронеровностей. Радиальные усилия (150—300 Н) меньше, чем при других подобных методах обработки (обкатка роликом, шариком и т. п.) вследствие малой площади контакта.

Алмазное выглаживание формирует в поверхностных слоях высокие сжимающие напряжения (рис. 11), имеющие подповерхностный максимум [4].

Обычно алмазному выглаживанию подвергают плунжеры насосов, валы и оси. Сопротивление усталости упрочненных деталей на 30—35% выше, чем неупрочненных.

Рис. 11. Графики остаточных напряжений после алмазного выглаживания поверхности образца

Рис. 12. Инструмент для обкаткн деталей

Наряду с алмазным выглаживанием получает распространение виброалмазное выглаживание, позволяющее формировать сложный (узорчатый) рельеф поверхности деталей, что важно для плунжерных пар, маслоуплотнительных колец и др.

Обкатка роликом и шариком. Процесс обкатки осуществляется перемещением прижатого к обрабатываемой детали ролика или шарика, закрепленного в специальной державке (рис. 12). Приспособления могут быть двух-, трех- и многороликовыми (многошариковыми) с механическим, пневматическим и гидравлическим приводом.

В зависимости от усилия на ролик (шарик) различают сглаживающе-упрочняющую и упрочняющую обкатку. В первом случае наряду с небольшим упрочнением при относительно небольших радиальных усилиях достигают снижения параметров шероховатости, что в ряде случаев позволяет исключить шлифование.

При упрочняющей обкатке за счет высоких давлений в поверхностных слоях деталей возникают высокие сжимающие напряжения, параметры шероховатости при этом повышаются.

Упрочняющей обкатке обычно подвергают поверхности валов и осей, впадины зубчатых колес и резьбовых деталей.

Диаметр ролика для обкатки валов и осей диаметром мм принимают в пределах . С уменьшением диаметра ролика и радиуса его профиля при прочих равных условиях увеличиваются остаточные напряжения в поверхностных слоях и повышаются параметры шероховатости.

При упрочнении (обычно фасонными роликами) галтелей валов зона обкатки должна выходить за галтели на длину не менее Посадочные места валов упрочняются с выходом за зону посадки на длину

Режимы обкатки (усилие на ролик, скорость обкатки, подача) устанавливают экспериментально. В результате упрочняющей обкатки сопротивление усталости валов повышается на 25— 40%.

В ряде отраслей машиностроения применяют виброударную обкатку (чеканку) галтелей валов.

Отверстия в деталях упрочняют раскатыванием роликовыми или шариковыми раскатниками, а также протягиванием и продавливанием шарика (для отверстий диаметром мм). В результате такого упрочнения сопротивление усталости детали с отверстием удается повысить на 30—50%.