Методы пластической деформации для упрочнения и восстановления деталей

Методы пластической деформации для упрочнения и восстановления деталей

Увеличение статической прочности деталей не всегда равнозначно повышению их долговечности, так как с ростом предела прочности увеличивается вероятность усталостного и хрупкого разрушений деталей. Использование высокопрочных сталей ограничивается большой их чувствительностью к концентрации напряжений, к различного рода дефектам поверхности, загрязненности неметаллическими включениями. Поэтому, когда наряду с высокими величинами упругости детали должны обладать большим сопротивлением к динамическим нагрузкам, использование высокопрочных сталей оказывается малоэффективно. Высокие требования современного машиностроения ставят перед металловедением задачи, которые не могут быть решены применением традиционных видов термической и химико-термической обработки. В настоящее время накоплен большой опыт в разработке новых способов повышения надежности деталей и конструктивных узлов. Из многочисленного арсенала современных средств упрочнения не всегда легко выбрать оптимальный вид для конкретного случая. Сравнение эффективности различных способов повышения эксплуатационной стойкости деталей дало возможность наметить области их рационального применения с учетом факторов, лимитирующих надежность деталей в данных условиях.

Одним из наиболее эффективных видов упрочнения является поверхностное пластическое деформирование (ППД). Благодаря особенностям воздействия ППД позволяет полнее реализовать потенциальные свойства высокопрочных сталей. Очень эффективно ППД в сочетании с другими способами упрочнения. Комбинированные способы упрочнения могут расцениваться как дополнительные резервы повышения эксплуатационной стойкости деталей машин. Сочетание ППД с другими способами упрочнения позволяет использовать преимущества и возможности каждого из них и тем самым удовлетворить разнообразные требования: высокой прочности, вязкости, износостойкости, коррозионной стойкости. При этом можно получить значительно большие показатели статической, чем при применении каждого способа в отдельности. Механизмы процессов, протекающих при различных видах деформационного упрочнения, тщательно изучаются в связи с теоретическим и практическим значением этого вопроса для проблемы прочности в целом, а также с целью управления этими процессами и эффективного использования возможностей каждого из них. Увеличение прочностных свойств даже до наиболее высоких значений, достигаемых современной техникой, не приводит к заметному повышению усталостной прочности и, как правило, вызывает уменьшение коэффициента выносливости — отношения предела выносливости к пределу прочности. Иначе говоря, при циклическом нагружении не удается полностью реализовать потенциальные свойства высокопрочной стали, и поэтому получение даже весьма высоких показателей статической прочности не адекватно повышению конструктивной прочности. Поэтому решение комплексной задачи обеспечения конструктивной прочности узлов, испытывающих высокие статические и циклические напряжения, лимитируется пониженным коэффициентом выносливости высокопрочных сталей. В большинстве исследований изучение зависимости предела выносливости от прочностных свойств материала проводилось на сталях низкой и средней прочности (в отожженном, нормализованном или термически улучшенном состоянии). Полученные результаты свидетельствовали о существовании линейной зависимости между пределом выносливости при изгибе и пределом прочности при растяжении. Повышение прочности до значений σв > 150 кгс/мм2 сопровождается значительным увеличением рассеяния усталостных характеристик. Данное обстоятельство, учитывая статистическую природу явления усталости, предопределяет большую вероятность разрушения при нагрузках значительно ниже предела выносливости. Поэтому считается сомнительной возможность повышения предела выносливости стали с пределом прочности σв > 140 кгс/мм2, и некоторые авторы не видят смысла в применении сталей с более высокой прочностью для конструкций, работающих при переменных нагрузках. Сторонники этой точки зрения, однако, расходятся в определении конкретной величины экстремального значения аа. По различным данным, эти значения колеблются в пределах 120÷180 кгс/мм2. Для практики не безразлично, какой именно является эта величина, и сам факт такого большого расхождения также подлежит рассмотрению. Противоречивость точек зрения объясняется большим рассеянием, присущим усталостным характеристикам. Поэтому для объективного определения закономерностей данного явления необходимо было применить методы математической статистики при достаточно большом количестве определений. С этой целью была выполнена статистическая обработка результатов испытаний, проведенных большим числом исследователей на сталях различного состава. Обработка данных проводилась с помощью регрессионного анализа на ЭВМ по программе О. М. Дукарского. Объем выборки равнялся 173. В качестве аппроксимирующих зависимостей выбраны уравнения прямой и параболы. В большинстве случаев лучшее приближение обеспечила параболическая зависимость.

Восстановление деталей с помощью пластических деформаций основано на их способности изменять свою геометрическую форму и размеры за счет перераспределения металла без разрушения под действием внешних сил. Ремонт деталей с помощью пластической деформацией – один из наиболее распространенных методов ремонта деталей. Метод используют для выправления вмятин, погнутости, скручивания, изменения посадочных размеров изношенных мест деталей (увеличения диаметра изношенных шеек осей, валов, уменьшения диаметра изношенных поверхностей втулок), повышения прочности деталей (дробеструйный наклеп) и снижения шероховатости механической обработки (накатка роликами шеек валов вместо их шлифования). Этот способ применяется также для восстановления первоначальных свойств деталей, упрочнения их рабочих поверхностей и в качестве заключительной чистовой обработки. Для облегчения пластического деформирования деталь предварительно подогревают, что резко повышает пластичность металла. Детали восстанавливают как в холодном, так и в горячем состоянии. В холодном состоянии обычно восстанавливают детали из низкоуглеродистых сталей, цветных металлов и сплавов, а в горячем – из средне- и высокоуглеродистых сталей с температурой нагрева 0,7… 0,9 температуры плавления. После восстановления давлением ответственные детали подвергают термической обработке. Пластическая деформация металла в холодном состоянии упрочняет металл и это называется наклепом металла. В этом случае твердость, прочность и предел текучести металла повышаются, а пластичность уменьшается. Но эти изменения не очень постоянны, т. е. сдвиги и нарушения в кристаллической структуре металла подвержены восстановлению. При незначительном нагревании упрочненного, металла (у стали 200…300 °С) восстанавливается упорядоченная кристаллическая решетка, причем прочность и твердость несколько снижаются, а пластичность повышается. Структура металла при этом не меняется. При более высоких температурах нагрева начинается восстановление металла. Если температура пластической деформации выше температуры рекристаллизации, то упрочнения (наклепа) металла не происходит. Для устранения внутренних напряжений деталь отжигают или нормализуют. Ремонт изношенных деталей при помощи пластических деформаций требует специальных приспособлений, поэтому является экономически оправданным только в том случае, когда ремонтируется много однотипных деталей.

Различают следующие виды обработки пластическим деформированием: осадку, раздачу, обжатие, вдавливание, вытяжку, правку, накатывание. Правка применяется при искажении формы деталей, например, при изгибе и скручивании валов, осей, шатунов, рам; вмятинах и перекосах тонкостенных деталей. В зависимости от степени деформации и размеров детали правят с нагревом или без него. Инструментом при правке служат молотки (стальной, медный, деревянный), кувалды, специальные ключи, скобы, прессы, домкраты и т.д. При правке без нагрева у деталей остаются внутренние напряжения и после правки они постепенно принимают первоначальную форму. Для снятия внутренних напряжений необходимо деталь выдержать при температуре 400…450°С около 1ч или при температуре 250…300°С в течение нескольких часов для стабилизации. Крупные и сильно деформированные детали правят в нагретом состоянии, так как холодная правка не всегда дает устойчивый результат и в металле в результате наклепа могут возникнуть внутренние напряжения, накладываемые на остаточные напряжения, сохраняющиеся в деталях. Эти процессы не возникают при горячей правке, когда места деформации нагревают до 600…900°С.

Осадка применяется для увеличения наружного диаметра сплошных деталей или для уменьшения внутреннего диаметра полых деталей. При этом способе диаметр детали увеличивается за счет уменьшения ее длины. Так восстанавливают различные втулки при износе по наружному или внутреннему диаметру, цапфы валов, оси, клапаны двигателей внутреннего сгорания, зубчатые колеса и другие детали, имеющие поверхностный износ не более 1% их диаметра. Можно также уменьшить длину деталей до 15%, но ответственные детали не уменьшают больше чем на 8%. После осадки под прессом отверстие втулки развертывают до требуемого размера. Небольшие по ширине цилиндрические зубчатые колеса восстанавливают в нагретом состоянии с помощью специальных штампов, которые позволяют получить небольшое утолщение зубьев и уменьшение отверстия ступицы. Отверстие ступицы после осадки растачивают, а затем обтачивают наружные поверхности и нарезают зубья колеса.

Обжатие проводят при необходимости уменьшить, внутренний диаметр полых деталей за счет изменения наружного диаметра. Этим способом восстанавливают втулки из цветных металлов, проушины различных рычагов при износе гладких или шлицевых отверстий, корпуса гидронасосов и пр. При обжатии изношенную втулку проталкивают с помощью пуансона через отверстие матрицы, размер которой, регулируемый вкладышем, равен наружному диаметру обжатой втулки. После обжатия наружный диаметр увеличивают, например, с помощью электролитического наращивания слоя металла, а внутренний – развертывают до требуемого размера. Обжатием уменьшают внутренние размеры деталей типа втулок, изготовленных из цветных металлов. Втулку проталкивают пуансоном через установленную в подставке матрицу. Входное отверстие матрицы сужается под углом 7…8°, далее идет калибрующая часть, которая заканчивается входным отверстием, расширяющимся углом 18…20°. После обжатия наружную поверхность втулок омедняют и протачивают, а внутреннюю развертывают.

Вытяжка применяется для увеличения длины детали за счет местного (на небольшом участке) сужения ее поперечного сечения. Этот способ используют при ремонте тяг, штанг и др.

Раздача применяется для увеличения наружного диаметра за счет увеличения внутреннего диаметра полых деталей. Этим способом восстанавливают бронзовые втулки шестеренчатых насосов гидросистем, трубы рулевой колонки и пр. Раздачу чаще проводят в холодном состоянии, закаленные детали предварительно подвергают отпуску или отжигу. Наиболее часто этот способ применяют при восстановлении поршневых пальцев двигателей внутреннего сгорания. Изношенный палец устанавливают в специальную матрицу и раздают с помощью пуансона на прессе. Вдавливанием восстанавливают тарелки клапанов, шлицы, шестерни при износе по профилю зуба и пр. Ролики изготовляют из специальных твердых сплавов или инструментальной стали и подвергают термообработке. Установка имеет две или три подобные головки, т. е. одновременно обрабатываются два или три шлица под углами соответственно 180 и 120°. Благодаря такой конструкции вал разгружается от изгибающих сил. Перед головками закреплены индукторы высокочастотной установки для разогрева шлицев, сзади роликов – устройство для их охлаждения.

Накатыванием увеличивают размеры термически не обработанных цилиндрических поверхностей, на которые устанавливают детали с помощью неподвижных посадок. Такие детали, закрепленные в центрах токарного станка, обкатывают роликом из хромоникелевой стали, имеющим на поверхности насечку. При накатывании диаметр поверхности увеличивается за счет поднятия гребешков металла. Полученную поверхность шлифуют или накатывают гладким роликом до получения требуемого размера. Накатка может быть применена для восстановления вкладышей, залитых свинцовистой бронзой, а также для восстановления изношенных поверхностей под неподвижную посадку колец роликовых и шариковых подшипников. Накаткой можно увеличить диаметр детали на 0,3…0,4 мм на сторону. Накатку применяют для сохранения работоспособности только деталей, работающих в легких условиях, так как износостойкость соединений, отремонтированных таким путем, значительно ниже износостойкости нового соединения.

Заключение

Применение ППД позволяет в широких пределах варьировать степень, глубину и равномерность упрочнения деталей машин. Существующие методы гетерогенного упрочнения ППД могут быть использованы для повышения эксплуатационных характеристик самых разнообразных деталей, работающих в различных условиях. Однако, широкое применение гетерогенного упрочнения ППД сдерживается отсутствием научно-обоснованных требований к параметрам упрочненного слоя, обеспечивающим требуемые эксплуатационные характеристики детали. В частности, отсутствуют рекомендации по оптимальному распределению упрочненных участков по объему рабочей поверхности для различных условий эксплуатации и материалов детали.

Список литературы

1. Гуляев А.П. «Металловедение», М: Металлургия, 1986.

2. Лившиц Б.Г. «Металлография», М.: Металлургия, 1990.

3. Афонин А.Н. Схемы деформирования при режуще-деформирующей обработке резьб. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, 2012, № 2/292. – С. 3-8.

4. Иванов Г.П., Картонова Л.В., Худошин А.А. Повышение износостойкости деталей созданием регулярной гетерогенной макроструктуры. Строительные и дорожные машины, 1997, № 1. - С. 33-34.

5. Киричек А.В., Афонин А.Н. Методика моделирования статико-импульсной обработки резьб с помощью метода конечных элементов. Известия ТулГУ. Технология машиностроения, 2006. – С. 195-199.

6. Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Создание гетерогенной структуры материала статико-импульсной обработкой. СТИН, 2007, №12. – С. 28-31.

7. Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Баринов С.В. Разработка параметров для описания гетерогенно-упрочненной структуры. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, 2011, № 1/285. – С. 63-66.

8. Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. Библиотека технолога. М.: Машиностроение, 2004, 288 с.

9. Смелянский В.М., Земсков В.А. Технологическое повышение износостойкости деталей методом электроэрозионного синтеза покрытий. Упрочняющие технологии и покрытия, 2005, № 1. - С. 27-35.

Новоточинов А.П., студент 2 курса,направление «Технологические машины и оборудование»

Руководитель Ларин А.И., ст. преподаватель Старооскольский технологический институт им. А.А. Угарова

Источник: https://elibrary.ru