Восстановление механических свойств деталей поверхностным пластическим деформированием

Обработка поверхностным пластическим деформированием (ППД) — это вид обработки давлением, при которой с помощью различных инструментов для рабочих тел пластически деформи­руется поверхностный слой материала обрабатываемой детали; применяется при восстановлении деталей из стали, чугуна, цвет­ных металлов и сплавов, обладавших достаточной пластичностью.

В результате обработки ППД достигается: сглаживание шерохо­ватости поверхности; упрочнение поверхности; калибрование; об­разование новой геометрической формы поверхности; стабилиза­ция остаточных напряжений структурного состояния.

При обработке ППД с осевым перемещением деформирующих роликов пластическое деформирование начинается впереди роли­ков, на некотором расстоянии от поверхности.

В зоне контакта деформирующих роликов с обрабатываемой поверхностью образуется заторможенный (защемленный) клиновид­ный объем металла, способствующий направленному поверхностному пластическому деформированию. Металл, в основном, перемещается в окружном направлении. Внутри выступов микронеровностей наблюдается осевое течение металла. Вершины неровностей пластически деформируются, и происходит смыкание впадин. Уровень расположения впадин практически сохраняется постоянным.

Роликовые деформирующие инструменты и устройства различаются по виду обрабатываемой поверхности, кинематике про­веса, форме, размерам, количеству деформирующих элементов, характеру контакта с обрабатываемой поверхностью, способу создания и стабильности усилий деформирования и др.

По способу создания усилий деформирования роликовые инструменты разделяются на регулируемые (жесткие) и самонастраива­ющиеся.

В регулируемых деформирующих инструментах усилие дефор­мирования создается за счет натяга — разницы между диаметром обрабатываемой детали и настроечным диаметром инструмента. Обработка регулируемыми инструментами жестких деталей позволяет повысить точность размеров, а также исправить форму поверхности (овальность, конусность).

Самонастраивающиеся деформирующие инструменты рекомен­дуется применять при обработке маложестких деталей и материа­лов, подверженных перенаклепу. Они снабжены механизмом (пру­жинным, пневматическим, гидравлическим) для создания необхо­димого усилия деформирования и поддержания его в процессе обработки на определенном уровне; обеспечивают получение равно­мерного упрочнения поверхностного слоя и стабильной шерохо­ватости поверхности.

В деформирующих инструментах и устройствах применяются стержневые и кольцевые ролики. Стержневые ролики при­меняют в многороликовом накатом инструменте сепараторного типа, служащем для накатывания деталей, имеющих форму ци­линдра, конуса, а также для накатывания плоских кольцевых по­верхностей, акольцевые ролики—в инструментах для упроч­няющей и калибрующей обработки деталей, имеющих концентра­торы напряжений в виде галтелей, канавок, а также наружных цилиндрических поверхностей.

По кинематике движения деформирующие инструменты и уст­ройства разделяются на простые и дифференциальные. Простые инструменты работают по схеме простого накатывания, деформи­рующий ролик совершает движение вокруг своей оси (материаль­ной или геометрической). Дифференциальные инструменты характеризуются наличием единой опорной поверхности для всех деформирующих роликов, благодаря чему, кроме вращательного движения, они совершают переносное движение относительно обрабатываемой детали.

По характеру контакта с обрабатываемой поверхностью дефор­мирующие инструменты разделяются на статические — не­прерывного действия и ударные — импульсные. При обработке статическим инструментом контакт деформирующего ролика с об­рабатываемой поверхностью осуществляется непрерывно под воз­действием постоянного усилия деформирования. Инструменты удар­ного действия снабжены механизмами для прерывания контакта ролика с поверхностью детали.

Поверхностное пластическое деформирование цилиндрических отверстий роликовым инструментом осуществляется раскатками. Многороликовые регулируемые дифференцированные раскатки (рис. 12.10) применяются для обработки диаметров отверстий от 25 до 250 мм деталей, изготовленных из стали, чугуна, цветных металлов и сплавов (с твердостью до 40 ИКС). В них деформирую­щие ролики 1 расположены равномерно по окружности в сепарато­ре 3. Опорой роликов является конус 2, установленный на оправ­ке 4. Осевое смещение сепаратора ограничено с одной стороны буртиками оправки, с другой — гайкой 5 и контргайкой 6, пред­назначенными для регулирования размеров раскатки. Пружина 9 служит для автоматического возврата сепаратора с роликами в ис­ходное положение после вывода раскатки из обрабатываемой детали. Для уменьшения трения сепаратора об оправку и исключе­ния возможности задиров в сепараторе установлена втулка 8. Осе­вые усилия при обработке воспринимаются подшипником 7. От выпадания ролики предохраняются крышкой. Смазочно-охлаждающая жидкость подается через отверстия, имеющиеся в оправке и гайке 10, которая предназначена для крепления опорного конуса.

Перед обработкой раскатка регулировочной гайкой настраива­ется на определенный размер, и сепаратор с роликами и пружи­ной отводится до упора в крайнее левое положение. Детали или инструменту сообщается вращение, и раскатка вводится в обраба­тываемое отверстие. Осевая подача инструмента или детали проис­ходит за счет самоподачи или принудительного перемещения.

После обработки при выводе инструмента или детали ролики, сжимая пружину, смещаются на меньший диаметр опорного кону­са, и инструмент свободно выходит из обработанного отверстия.

Минутная подача (S_м) при раскатывании равна

S_м = S₀п_р, (12.3)

где S₀ — подача на один оборот сепаратора с роликами относительно детали, мм; п_р — угловая скорость раскатывания, мин^-1.

Подача на один оборот сепаратора с роликами относительно детали определяется по формуле

S₀ = S_pz, (12.4)

где S_р — подача на один ролик (расстояние между последователь­ными положениями двух соседних роликов на образующей детали), мм/рол; z — число роликов на раскатке, ед.

Угловая скорость раскатывания равна

n_р= 1000V_р/(πD), (12.5)

где V_р — окружная скорость раскатывания, м/мин.

Рис. 12.10. Многороликовая регулируемая дифференци­альная раскатка:

1 — деформирующиеся ролики; 2 — конус; 3 — сепаратор; 4 — оправка; 5, 10— гайка; 6— контргайка; 7— подшипник; 8 — втулка; 9 — пружина

Рис. 12.11. Однороликовый накатник: 1- упор; 2 — деформирующий ролик; 3 — опорный ролик; 4 — сепаратор; 5 — подшипник; 6 — пружина

Поверхностное пластическое де­формирование на­ружных цилиндри­ческих поверхностей роликовым инстру­ментом (рис. 12.11) применяется как для сглаживающей, так и для упрочня­ющей обработки. Стержневой дефор­мирующий ролик 2 устанавливается в сепараторе 4 и опирается на опорный ролик 3, смонтированный на подшипнике 5. От выпадания деформирующий ролик 2 удерживается упором 1. Усилие деформирования создается пружиной б. Инструмент зак­репляется на суппорте токарного станка.

Режимы обработки: скорость обкатывания — 60... 100 м/мин; осевая подача 0,1 ...0,4 мм/об; усилие деформирования 50...500 кгс. После обкатывания достигается шероховатость 0,63... 0,08 мкм, сни­маемый припуск 0,005...0,02 мм.

При обработке ППД могут возникать дефекты поверхности: от­слаивание металла (шелушение) в результате перенаклепа из-за неправильного выбора режима обработки; вмятины, риски, ско­лы, раковины из-за нарушения целостности рабочей поверхности деформирующего ролика; волнистость из-за неодинаковых диамет­ров рабочих роликов) и формы (из-за наличия концентраторов напряжений и неравножесткости деталей).