Пластическое деформирование: сущность, особенности

Поверхностная деформация приводит к образованию сдвигов  в зернах, упругому искажению кристаллической  решетки, изменению формы и размеров зерен. Интенсивность наклепа (упрочнения) тем выше, чем мягче сталь. На незакаленных сталях увеличение твердости составляет более 100 %, на закаленных 10. ..20 %, при глубине упрочненного слоя до 12 и более мм.⁴

В тоже время, одной из основных причин выхода из строя деталей машин является зарождение и развитие усталостных трещин в наиболее нагруженных знакопеременными нагрузками участках поверхности. Известны частые случаи излома и среза шлицевой части полуосей грузовых автомобилей, развитие трещин в зоне крепления к ступице дисков колес и т.д. Эти виды разрушения являются результатом действия сложной пространственной системы сил.

С целью повышения  долговечности и нагрузочной способности деталей автотранспортных средств в производстве широко используются методы ППД: накатка (шестерни, звездочки, эвольвентные и шлипевые поверхности), раскатка (рабочие цилиндры гидравлических амортизаторов), дробеструйная обработка (галтели коленчатых валов, пружины и т.д.).

Одной из разновидностей ППД является так называемая статико - импульсная обработка (СИО) - усовершенствованный процесс ударной чеканки - упорядоченного ударного воздействия на упрочняемую поверхность. Выполняется специальными бойками с помощью механизированного инструмента.

Пластическая деформация металла при СИО осуществляется управляемым импульсным воздействием, сообщаемым ударной системой боек-волновод статически нагруженному инструменту. Использование предударного статического поджатия инструмента к обрабатываемой поверхности позволяет увеличить ее площадь контакта с инструментом, способствуя уменьшению искажений передаваемого ударного импульса и уменьшая потери энергии удара.

Технология упрочнения СИО включает следующие этапы: предварительное статическое и последующее периодическое импульсное нагружение инструмента. СИО осуществляется при помощи специально разработанного высокочастотного генератора механических импульсов (ГМИ), позволяющего регулировать энергию и частоту импульсов в заданном диапазоне (рис. 2).

 Преимуществами СИО перед другими способами ППД является малая энергоемкость, высокий коэффициент передачи энергии упрочняемой поверхности, возможность воздействия на упрочняемую поверхность управляемым импульсом, компактность устройства для упрочнения, возможность установки его на металлообрабатывающее оборудование.

Рис. 2. Внешний вид генератора механических импульсов и схема гидропневматического ударника (по патенту РФ № 2090342): 1 - ударный инструмент; 2 - специальная вытачка; 3 - штифт; 4 - гидропневматический аккумулятор; 5 - тормозная камера; 6 - полость; 7 - ударный наконечник; 8 - полость; 9 - корпус; 10 – гидропневматический аккумулятор; 11 - турбина; 12 - ротор; 13 - неподвижная гильза; 14 - предохранительный клапан; 15 - регулировочный дроссель

 

Генератор механических импульсов является исполнительным органом при осуществлении упрочнения изделий из металлов методом статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. Принцип действия основан на преобразовании напора жидкости от масляной станции в возвратно-поступательное движение бойка, ударяющего по инструменту, статически поджатому к обрабатываемой поверхности.

Может монтироваться  как на обычных универсальных металлорежущих станках, так и на специализированной установке, ориентированной на обработку определенных типов деталей. Возможен так же монтаж на мобильной установке, для обработки особо крупногабаритных деталей.

Статико-импульсная обработка  заключается в предварительном  статическом нагружении инструмента силой, имеющей постоянное значение в течение всего времени обработки, и периодическим импульсным нагружением. Инструмент монтируется на статически нагруженном волноводе. Энергия импульсного воздействия формируется посредством удара бойка по волноводу и в виде волны сжатия сообщается в очаг деформации. Технологическими факторами СИО являются: энергия удара, форма и размеры инструмента, величина статической составляющей нагрузки, частота ударов, скорость перемещения инструмента относительно обрабатываемой поверхности, число проходов.⁵

Преимуществом упрочнения СИО ППД является возможность местного упрочнения поверхности деталей. При этом переход от упрочненной к неупрочненной области является плавным, исключая возможность отслоения поверхностного слоя и создания концентраторов напряжения. Это дает возможность улучшить эксплуатационные характеристики деталей, испытывающих знакопеременные нагрузки.

При упрочнении СИО в  зависимости от материала детали (45, 40Х, ШХ15, ЗО'ХГСА, 110ПЗЛ, 65Г) степень  наклепа составляла 20. ..300 %. При этом глубина существенно наклепанного слоя составляет 5...7 мм. а в отдельных случаях превышает 10 мм. В результате использования СИО появляется возможность варьировать в широких пределах градиент и глубину упрочнения.

Способность упрочненной  поверхности выдерживать знакопеременные нагрузки во многом определяется ее напряженным состоянием. При обработке деталей известными методами ППД на оптимальных режимах в упрочненном поверхностном слое формируются сжимающие напряжения 1-го рода. Однако при различных способах ППД максимум сжимающих напряжений может находиться, как на самой поверхности (чеканка, выглаживание), так и на некоторой глубине (обкатка, дробеструйная обработка). С точки зрения повышения эксплуатационных характеристик предпочтительнее получение максимальных остаточных напряжений на поверхности детали.⁶

Технологическими факторами  СИО являются: энергия и частота ударов, скорость перемещения заготовки относительно инструмента. величина статического поджима, форма и размеры инструмента, число проходов. Ранее были проведены исследования по оценке влияния энергии ударов и формы деформирующего инструмента. При этом соотношения частоты ударов и скорости перемещения заготовки относительно инструмента, характеризующие кратность силового воздействия. выбирались из условия достаточной плотности расположения пластических вмятин. Для назначения более точных режимов упрочнения СИО, упрощения и удешевления технологии упрочнения СИО необходимо исследовать влияние кратности силового воздействия на характеристики качества упрочненного поверхностного слоя.

Такая обработка может  использоваться и для упрочнения широкой номенклатуры тяжело нагруженных деталей транспортных средств, большинство из которых имеют профильные рабочие поверхности (зубья шлицев, витки резьбы и т.д.), а также галтели. Упрочнение ППД позволяет повысить усталостную прочность таких деталей. Известны способы упрочнения профилей методами ППД, в частности накаткой, при этом глубина упрочненного слоя может составлять 1...2 мм. Однако высокие действующие нагрузки требуют создания упрочненного слоя большей глубины. СИО ППД позволяет получать упрочненный поверхностный слой с глубиной до 8... 10 мм и более.

Установлено, что после  статико-импульсного упрочнения в результате особенностей нагружения максимум остаточных сжимающих напряжений находится близко к поверхности. Проведенные исследования показали, что максимальная глубина напряженного слоя после СИО достигает 6...8, а в некоторых случаях - 10...12 мм. Сравнение напряженного состояния и градиента наклепа показывает, что глубина напряженного слоя в 1,1... 1,3 раза больше, чем глубина наклепанного слоя, что соответствует известным положениям обработки ППД.

Установлено, что глубина  упрочненного слоя и градиент упрочнения оказывают большое влияние на усталостную прочность деталей. При этом эпюры микротвердости и остаточных напряжений, формирующихся при СИО, наиболее благоприятны для повышения усталостной прочности. Проблема повышения усталостной прочности и несущей способности деталей актуальна для всех отраслей машиностроения.

Проведенные исследования свидетельствуют, что замена в целом ряде случаев статических и динамических методов ППД на СИО приводит к существенному повышению качества деталей.

Таким образом, СИО является перспективным методом упрочняющей обработки деталей автотранспортных средств, а также других изделий, к которым предъявляются повышенные требования по износостойкости и усталостной прочности

1.2. Восстановление деталей, втулок и гаек осадкой

Восстановление  деталей осадкой

Осадка применяется  для увеличения наружного диаметра сплошных тел и для уменьшения внутреннего диаметра полых деталей. В этом случае действие силы Р (рис, 1 е) должно быть перпендикулярно направлению требуемой деформации - б. В результате осадки площадь поперечного сечения детали увеличивается вследствие уменьшения ее высоты.

Осадкой ремонтируют  втулки с износом по наружному к внутреннему диаметрам (втулки верхней головки шатуна, шаровые пальцы и др.).

После осадки внутреннюю поверхность втулок развертывают под  соответствующий размер. Сильно нагруженные втулки (втулки верхней головки шатуна) можно осаживать до их высоты не более 8 %, а в остальных случаях - до 15 %.⁷

Восстановление  втулок осадкой

Цилинным филиалом ГОСНИТИ  разработана установка ОР-13790-ГОСНИТИ  для восстановления изношенных втулок осадкой. Это гидравлический пресс с усилием при движении штока вниз 630 КН, вверх -470 КН и набор приспособлений для осадки втулок различных размеров.

Приспособление для  осадки втулок, имеющих внутри по окружности кольцевую выточку (рис. 3), состоит из основания 1, на котором закреплены упор 4 и две направляющие штанги 13. В упоре смонтирована цанга 11, которая фиксируется шариками 12 и имеет на верхнем торце грибообразный бурт, соответствующий по размерам выточке втулки. В упоре также расположены сухарики 15, стягиваемые кольцевыми пружинами 14 и толкатель с конусом 5, опирающийся на возвратную пружину 16.

Рис. 3. Приспособление для восстановления втулок осадкой: 1 - основание; 2 - упорная втулка; 3 - нижняя и верхняя плиты; 4 - упор; 5 - конус; 6 - осаживаемая втулка; 7 - шатун; 9 - направляющая втулка; 10-пуансон; 11 - цанга; 12 - шарик; 13 - штанга; 14 - кольцевая пружина; 15 -сухарик; 36-пружина; 17-гайка

 

Упор закреплен на основании специальной гайкой 17, являющейся одновременно опорой дот сухариков и стаканом для возвратной пружины. В верхней плите 8 гайкой зафиксирован пуансон 10. Он имеет наконечник для соединения со штоком пресса, а снизу - стержень с конусом. В нижней плите 3 запрессована упорная втулка 2, обхватывающая снаружи упор.

Верхняя и нижняя плита жестко соединены специальными направляющими втулками 9. Работает приспособление следующим образом. Наконечник пуансона соединяют со штоком пресс, основные приспособления крепят к столу и поднимают шток так, чтобы вершки торец упорной втулки был расположен на уровне торца проточки упора. На эту проточку устанавливают осаживаемую втулку 5, в шатуне-матрице 7. В таком положении пуансона сухарики обжимают толкатель с конусом по меньшему диаметру, а грибообразный бурт. При движении штока вниз стержень пуансона разнимает грибообразный бурт цанги, который входит в кольцевую выточку осаживаемой втулки. При дальнейшем движении стержень давит на толкатель с конусом, который, сжимая возвратную пружину, разжимает сухарики так, что против торца цанги устанавливается выточка торцов сухариков, а цинга может опуститься вниз.

Цанга перемещается вниз по мере опускания грибообразного бурта  в процессе осадки втулки. Размер внутренней поверхности втулки обеспечивается калибрующими поверхностями пуансона и упора. При обратном ходе штока пуансон, зажатый выдавленным металлом втулки, впрессовывается из нее, а стержень пуансона выходит из цанги. При этом возвратная пружина вслед за стержнем пуансона подает толкатель с конусом вверх. Сухарики снимаются, их верхние торцы подходят под нижний торец цанги и фиксирует ее в определённом положении относительно упора цанги. По мере движения штока вверх упорная втулка нижней ришты спрессовывает обработанную втулку с калибрующей части упора. Производительность установки - 80 втулок в час.⁸

Восстановление  гаек осадкой

При ремонте кареток трактора Т-74 часто выходит из строя соединение оси каретки - гайка (обрывается резьба), поэтому приходится ставить новые гайки. Рационализаторы Новельской райсельхозтехники предложили и внедрили приспособление для осадки старых гаек. Приспособление (рис. 4) состоит из подушки 5, нижнего бойка 4, насадки нижнего бойка с полуформой 3, верхнего бойка 2 и бабы 1.

 

Рис. 4. Приспособление для осадки гаек: I - баба; 2 - полуформа; 3 - насадка нижнего бойка с полуформой; 4 - нижний боек; 5 – подушка

 

Осадка гайки заключается в следующем. Бракованная гайка нагревается до температуры 700...800 °С, закладывается в нижнюю полуформу 3 и осаживается пневмомолотом с размера 55 до 51 мм. В процессе осадки после каждого удара гайку поворачивают на одну грань. После этого гайку обтачивают и нарезают резьбу МЗО. В осях катков также нарезают резьбу МЗО. Применение такого приспособления позволяет экономить дефицитный материал для изготовления гаек я получить экономический эффект.

1.3. Раздача, обжатие, правка, вытяжка,  растяжка и накатка

Раздача

Раздача характеризуется  тем, что направление действующей  силы Р совпадает с направлением требуемой деформация б (рис. 1 в). Этот вид восстановления применяется преимущественно для увеличения изношенных размеров наружных поверхностей поршневых пальцев, различных пустотелых осей и валов, шлицевых валов и др.

В зависимости от размера  износа наружной поверхности изделие  раздают при нагреве или без него. В последнем случае исключается трудоемкая обработка, применяемая после раздачи.

После раздачи детали подвергают механической, а затем термической обработке при тех же режимах, что в период изготовления новых изделий. Если детали имеют небольшую твердость (HRC < 30), то возможен их ремонт без предварительного нагрева.