Материаловедение. Учебник для студентов высших учебных заведений Арзамасов В. Б., Волчков А. Н
 Скачать 4.56 Mb.
|
|
ГЛАВА 16. ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗАГОТОВОК БЕЗ СНЯТИЯ СТРУЖКИ В связи с ужесточением требований к эксплуатационным характеристикам деталей машин в качестве финишных операций все чаще применяют поверхностное пластическое деформирование (ППД). ППД – метод обработки заготовок без снятия стружки, при котором пластически деформируется только поверхностный слой. Обработка ППД основана на способности металлической поверхности воспринимать остаточные пластические деформации без нарушения целостности металла. В ходе обработки квази шаровидная форма кристаллов поверхностных слоев заготовки изменяется. Кристаллы сплющиваются в направлении деформации, образуется упорядоченная структура волокнистого характера. ППД сопровождается упрочнением поверхностного слоя. Обработанные ППД детали становятся менее чувствительными к усталостному разрушению. 16.1. Классификация методов поверхностного пластического деформирования (ППД) Все методы ППД можно разделить на две основные группы: статические и ударные. Особенностью статических методов является воздействие на обрабатываемую поверхность постоянной силой «Р» причем очаг деформации, возникающий от действия силы, последовательно перемещается по поверхности, подлежащей обработки. Инерционные силы не оказывают влияния на процессы деформации. К данным методам относятся: выглаживание ( рис. 16.1, а), накатывание ( рис. 16.1, б), а также однократное деформирование обрабатываемой поверхности без перемещения очага деформирования ( рис. 16.1, в). Для ударных методов ( рис. 16.1, г) характерно многократное воздействие инструментом или рабочими телами на обрабатываемую поверхность, при этом сила воздействия «Р» изменяется в течение каждого цикла от минимума до максимума. Если осуществляется 474 локальное ударное воздействие, то для обработки всей поверхности заготовки очаг деформации должен равномерно перемещаться по ней. Рис. 16.1. Основные группы методов ППД: а, б, в – статические; г – ударные; D – перемещение инструмента или заготовки; Р - сила воздействия. В качестве инструментов для ППД могут быть использованы шарики и ролики с конструктивно определенными осями вращения и без них, выглаживатели, протяжки с деформирующими элементами (дорны), специальные бойки и чеканы. Рабочими телами при ППД являются стандартная дробь, специальные шарики, изготовленные из металлов и других конструкционных материалов. В качестве рабочих сред при поверхностном деформировании используются жидкости, газы или их суспензии с частицами абразива. Основные принципиальные схемы обработки поверхностным пластическим деформированием приведены на рис. 16.2. Упрочняющее раскатывание (для внутренних поверхностей) и раскатывание (для наружных поверхностей) характеризуются качением инструмента по обрабатываемой поверхности. Выглаживание характеризуется скольжением инструмента по поверхности локально контактирующей с ним. Вибрационное накатывание и выглаживание характеризуются вибрационным перемещением инструмента. Поверхностное дорнование характеризуется поступательным скольжением инструмента по охватывающей обрабатываемой поверхности. Дробеструйная и дробеметная обработка характеризуются ударами рабочих тел (дроби) по 475 деформируемому металлу. В зависимости от источника кинематической энергии (струя газа, жидкость, газ с жидкостью, вращение ротора дробемета) различают обработку: пневмодробеструйную; гидродробеструйную; гидропневнодробеструйную; дробеметную. Рис. 16.2. Эскизы основных способов ППД: а, б – упрочняющее раскатывание и обкатывание; в – выглаживание; г – вибрационное накатывание и выглаживание; д – поверхностное дорнование; е – дробеструйная обработка; ж – дробеметная обработка; з – ультразвуковая обработка; и – центробежная обработка; к – ударное раскатывание; л – упрочняющая чеканка; м – вибрационная ударная обработка; н – обработка механической щеткой; 1 – заготовка; 2 – дробь; 3 – струя газа и (или) жидкости; 4 –дробемет; 5 – УЗГ; 6 – опора; 7 – ролики; n – вращение 476 заготовки и (или) инструмента; s – перемещение заготовки и (или) инструмента; Р – усилие деформирования. Ультразвуковая обработка характеризуется добавлением ударов ультразвуковых колебаний к постоянной силе. Ударное раскатывание характеризуется ударным взаимодействием роликов с обрабатываемой поверхностью во время прохождения выступающих элементов опоры. Центробежная обработка характеризуется ударным взаимодействием роликов с обрабатываемой поверхностью под действием центробежной силы. Упрочняющая чеканка характеризуется ударным приложением деформирующей силы при возвратно – поступательном перемещении инструмента. Вибрационная ударная обработка характеризуется ударами рабочих тел об обрабатываемую поверхность заготовки в замкнутом пространстве при вибрационном перемещении заготовки. Обработка механической щеткой характеризуется ударами концами проволоки вращающейся механической щетки. Если сравнить статические и ударные методы, близкие по прикладываемым усилиям и кратности их приложения, то можно выявить следующие закономерности. Меньшую шероховатость поверхности с большой относительной опорной длиной профиля обеспечивают статические методы ППД. Для достижения большей степени упрочнения, которая характеризуется повышением микротвердости, значений сжимающих остаточных напряжений и толщины упрочненного слоя, как правило, лучше применять ударные методы. Однако виброударная обработка поверхности может уступать по степени упрочнения накатыванию. Обработка ППД тонкого поверхностного слоя имеет ряд преимуществ перед обработкой деталей резанием: Сохраняется целостность волокон металла. В поверхностном слое образуется мелкозернистая структура или даже текстура с анизотропными свойствами. Отсутствует шаржирование обрабатываемой поверхности абразивными частицами. Отсутствуют 477 дефекты, связанные с сильным нагревом заготовок в процессе обработки. Достигается минимальная шероховатость поверхности с большой относительной опорной длиной профиля. Стабильные режимы обработки, обеспечивающие стабильное качество поверхности. Возможность образования регулярных микрорельефов с заданной площадью смазочных канавок, что улучшает условия эксплуатации пар трения. В поверхностном слое создаются благоприятные сжимающие остаточные напряжения. Происходит плавное увеличение микротвердости поверхностного слоя заготовок. При правильном выборе метода и режимов обработки обеспечивается повышение износостойкости, сопротивления усталости, контактной выносливости и других эксплуатационных свойств обработанных деталей на 20…300%. При выборе методов ППД необходимо учитывать следующие особенности: Геометрическая точность поверхностей деталей, обрабатываемых ППД не повышается. Сохраняется точность, достигнутая на предыдущей операции. При обработке тонкостенных и неравножестких деталей может происходить деформация поверхности из-за создания в поверхностном слое остаточных напряжений. При большом пластическом течении металла на кромках обрабатываемых поверхностей могут образовываться наплывы металла. Применение методов ППД, как правило, позволяет механизировать и автоматизировать процессы обработки, тем самым повышая производительность труда. 16.2. Физические явления при ППД При обработке ППД в поверхностном слое заготовки происходят сложные взаимосвязанные явления: упругие и пластические деформации, процессы трения, температурные явления, а также диффузия и адгезия. Данные явления охватывают не только зону контакта инструмента с заготовкой, но и зоны находящиеся в непосредственной близости от нее. К основным параметрам ППД относятся упругая и пластическая деформация, 478 площадь контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью, сила деформирования, напряжения, возникающие в материале под воздействием этой силы, а также кратность приложения силы. При силовом воздействии образуется отпечаток от инструмента ( рис. 16.3, а), причем по мере увеличения силы вначале происходит упругая деформация, а затем пластическая ( рис. 16.3, б), линия ОАВ. При снижении силы возврат металла происходит по линии ВС. Размер отпечатка «d», соответствующий участку ОС, отражает величину остаточной пластической деформации. При деформации металлов происходит межзеренное и внутризеренное сдвиговое перемещение, которое осуществляется за счет движения дислокаций по плоскостям скольжения. С увеличением деформации дислокации размножаются, взаимодействуют между собой и другими дефектами кристаллической решетки. При этом движение дислокаций затрудняется, а напряжение пластического течения s и твердость ( s 0,32НВ) металла повышаются. Явление увеличения сопротивления пластической деформации называется упрочнением или наклепом. Рис. 16.3. Течение металла при сдавливании сферического индентора: а – отпечаток; б – зависимость упругой (a 0 ) и пластической (А max ) деформации от напряжения сдавливания σ 1 ; σу - упругая деформация; P – статическая или ударная сила нагружения; ОАВ – линия упругой и пластической деформации; ВС – линия обратного процесса; R – радиус индентора; d – размер отпечатка; h 1 – глубина отпечатка; a – величина деформации. 479 Для описания явлений в очаге деформации и на поверхности контакта инструмента с деталью применяются основные положения теории пластичности и феноменологической теории разрушения. При этом любой процесс деформирования может быть описан интегралом под кривой упрочнения для определенного материала, полученной при испытании образцов по необходимой программе. За критерий оптимальности целесообразно принять энергоемкость процесса обработки, влияющую на основные технико-экономические показатели. В качестве системы ограничений служат модели связей параметров качества с характеристиками метода обработки (МО). Энергоемкость в свою очередь, целесообразно выразить через мощность процесса деформирования (N gi ), которая при произвольном числе М этапов деформации определяется следующим образом: M j V tpg g g g gi N dV N 1 Данный критерий характеризует не только усилие деформирования, но и скорость осуществления воздействия, чего не учитывает такой критерий, как работа деформации. Мощность, затрачиваемая на преодоление трения на контактных поверхностях инструмента с заборной конической частью и детали, определяется по выражению: , 1 0 2 0 Rdld V N s ck gi где l – длина контакта инструмента с деталью; h – глубина распространения деформации; V ск – скорость скольжения; µ - коэффициент трения по Зибелю (Прандтлю); s - предел текучести обрабатываемого материала; R – радиус инструмента. Для создания конкретных моделей взаимосвязей параметров качества с технологическими факторами, входящих в систему ограничений используется феноменологическая теория разрушения В.Л. Колмогорова, включающая в себя расчет интенсивности скоростей деформации сдвига, накопленной деформации сдвига, среднего (гидростатического) давления, интенсивности касательных напряжений, показателя напряженного состояния и степени использования запаса пластичности (СИЗП). 480 Предварительный анализ очага деформации, возникающего при обработке детали деформирующим элементом с конической заборной частью позволяет подобрать для описания траектории движения частицы металла в очаге функцию, удовлетворяющую кинематическим условиям: V x1= K 1 xy, где V x1 - проекция скорости на ось Х в 1 зоне; K 1 – коэффициент пропорциональности. Используя данную функцию и условие постоянства объема, путем математических преобразований получаем компонент скорости перемещения частицы среды в первой зоне: , 2 0 2 1 1 1 0 2 1 1 1 h l V U V xy h l V U V y x где U 1 – перемещение в точке начала контакта деформирующего элемента с деталью; V - скорость перемещения инструмента; h 0 - глубина очага деформации; l - длина первой зоны очага деформации. Компоненты скорости перемещения во второй зоне находятся из условия непрерывности нормальной составляющей скорости: ; 2 2 0 2 2 1 1 0 1 2 0 2 h Vtg V y l tg l h U x h VtgCx V y y x При рассмотрении третьей зоны очага деформации после некоторых преобразований и подстановок получаем: ; 2 2 1 0 1 2 3 2 0 3 3 2 1 1 0 1 2 3 2 0 3 y tg l h U l l h Vtg V l l l tg l h U l l h Vtg V y x После этого, можно определить: Компоненты тензора скоростей деформации: x V y V y V x V yj xj xyj yj yj xj xj ; ; Интенсивность скоростей деформации: j j y xy x 2 2 4 3 1 Степень деформации: Интенсивность напряжений находим по кривой упрочнения: σ j =σ 0 + Aε in Среднее напряжение в первой и третьей внеконтактных зонах определяется, исходя из того, что на поверхности детали σ y =0: σ=2σ j ξ y /3ξ i . Для нахождения среднего напряжения во второй контактной зоне воспользуемся уравнением равновесия и условием, что компоненты не являются функцией Х: j j L L ij j i ij dx V 1 1 1 481 Функцию f 3(y) можно определить, учитывая следующее условия: x=l i ; σ=σ A , где σ A - среднее напряжение в точке начала контакта инструмента с деталью. При этом: n j j xy x V A B 2 2 4 3 1 . Затем определяется показатель напряженного состояния «К» и предельная накопленная деформация ε р Степень использования запаса пластичности целесообразно определять по формуле: 3 0 1 L k p i dx V Для более глубокого понимания процессов, происходящих при ППД применяются расчетно-экспериментальные методы механики сплошных сред. Результаты исследования методом координатных сеток процесса обкатывания роликом наружной цилиндрической поверхности показаны на рис. 16.4. Они показывают изменения вдоль очага деформации скорости относительных удлинений ε x 1 , ε y 1 и сдвигов xy 1 , интенсивности скоростей деформации сдвига «Г1», накопленной деформации сдвига «Г», степени использования запаса пластичности , а также параметров и показателя напряженного состояния. Моделирование различных методов ППД позволяет получить ряд важных обобщенных выводов: Накопленная деформация сдвига и глубина упрочнения поверхностного слоя зависят от размеров очага деформации и кривизны деформирующего инструмента, характеризуемой его профильным радиусом. Степень упрочнения обрабатываемого металла и контактные напряжения зависят от накопленной деформации сдвига и параметров кривой упрочнения. Контактные напряжения, достигнув определенного значения, стабилизируются в соответствии с кривой упрочнения металла. Для получения оптимальных параметров качества допустимые пределы степени деформации сдвига поверхностного слоя лежат в пределах 0,5…0,8. В результате трения инструмента об поверхность обрабатываемой заготовки при ППД наблюдается повышение температуры очага деформации, при этом нагревается инструмент, заготовка и y i n i f l tg l h U h x Vtg h x Vtg x B 3 1 1 0 1 2 0 2 0 2 2 3 2 482 окружающая среда. Данный процесс характеризуется локальным нагревом и быстрым отводом теплоты внутрь заготовки. Время нагрева зависит от скорости, приложенного усилия и размеров инструмента. В зависимости от режимов обработки температура очага деформации может достигать при обкатывании 300…400 0 С, при выглаживании – 600…700 0 С, при ударных методах – 800…1000 0 С. При таких температурах в обрабатываемых металлах могут происходить физические явления, которые приводят к снижению степени упрочнения, переходу сжимающих напряжений в растягивающие и образованию усталостных трещин. Вследствие этого, при выборе усилий и скоростей обработки необходимо учитывать допустимые температуры для конкретных конструкционных материалов. При необоснованном увеличении усилия обработки в поверхностном слое детали образуются микро- и макротрещины, происходит отслаивание частичек металла с поверхности, что отрицательно сказывается на прочности и износостойкости. 483 Рис. 16.4. Результаты исследования методом координатных сеток процесса обкатывания вала роликом: ε x1 , ε y1 , x y1 - скорости относительных удлинений и сдвигов; Г - интенсивность скоростей деформации сдвига; - степени использования запаса пластичности. Контрольные вопросы 1. В чем особенность статических методов ППД? 2. В чем преимущества ППД перед обработкой резанием? 3. Перечислите и охарактеризуйте основные разновидности ППД? 4. Какие физические явления происходят в поверхностных слоях при обработке ППД? |