Пластическое деформирование: сущность, особенности

При восстановлении деталей методом гильзования литьем детали штампов, контактирующие с жидким металлом, испытывают значительные термомеханические и другие нагрузки. На поверхности их в местах соприкосновения с жидким металлом возникают интенсивные диффузионные процессы, что приводит к налипанию и привариванию к ним металла, быстрому износу и ухудшению чистоты поверхности восстанавливаемой детали. Поэтому изыскания материала для сталей штампов является в настоящее время важной задачей в проблеме промышленного освоения этого метода. Выбор стали для изготовления деталей штампов от конфигурации восстанавливаемой детали, металла детали, типа производства. Высокую стойкость при восстановлении втулок алюминиевыми сплавами показали штампы, изготовленные из стали Зх2ВФ и 4х5В2ФС (ГОСТ 5950-63).

 

Рис. 9. Штампы для осадки (слева) и для восстановления методом  гильзования литьём (справа) втулок: 1,5- плиты; 2 - направляющая втулка; 3 - колонка; 4 - обойма; 6, 8 - пластины; 7, 20 - матрицы; 9, 19 - стержни; 10, 22 - выталкиватели; II -хвостовик; 12, 14 , 17-установочные пальцы; 13, 21 - кольца; 15 - втулка; 16, 18 – пуансоны

 

Важным фактором, определяющим надежность работы штампа и качество восстановленных деталей, является нахождение оптимальных размеров оформляющих деталей и зазоров в сопряжениях подвижных деталей, так как заниженные зазоры приводят к заклиниванию пуансона при его нагреве в процессе работы, а завышенные - к образованию кольцевого залива, затрудняющего разъем формы

Восстановление  плунжерных пар

Для восстановления плунжерных пар термоупруго-пластическим деформированием (ТПД) используют простой и достаточно дешевый способ, заключающийся в нагреве и охлаждении изделия. Например, в деталях из высоколегированных сталей ШХ-15 и ХВГ содержащих остаточный аустенит. Нагрев плунжеров до температуры 220...230 °С и выдержка в течение 2...5 часов позволяет получить приращение 4...30 мкм на диаметр за счет превращения остаточного аустенита в мартенсит. Однако приращение является недостаточным для компенсации износа и последующей механической обработки.¹⁶

Известен также способ восстановления плунжерных пар топливных насосов высокого давления дизелей, включающий нагрев токами высокой частоты (ТВЧ) плунжера до температуры закалки в двух поясках выше и ниже спиральной канавки, закалку, а после закалки осуществляют притирку плунжерной пары.

Однако малая площадь  восстановленной поверхности значительно  снижает долговечность восстановленного соединения.

Восстановление втулки плунжерной пары созданием градиента  температуры вдоль оси, подобно гильзам цилиндров, не позволяет получить достаточные абсолютные величины деформаций. Поэтому наиболее приемлемым для восстановления является способ, включающий нагрев токами высокой частоты (индуктор выполнен в виде медной трубки, проходящей через отверстие втулки плунжерной пары), и закалку втулки плунжерной пары в охлаждаемой разъемно-подпружиненной матрице, выполненной с углом конуса наружной поверхности - 10...30 °. На внутренней цилиндрической поверхности матрицы образована канавка на уровне посадочного места плунжерной втулки, равная по высоте размеру посадочного места. Детали матрицы выполняют из материала с коэффициентом термического расширения меньшим, чем восстановленная плунжерная втулка. Наружная и внутренняя цилиндрические втулки разъемной матрицы выполняют разрезанными с продольным разрезом шириной 0,5... 1,5 мм. Торец внутренней цилиндрической втулки выполняют закругленным, радиусом 0,5... 1,5 мм.

Восстановление удлинённых цилиндрических деталей осадков  из-за неравномерности распределения  пластической деформации по длине детали характеризуется изгибом и образованием зажимов по их поверхности. Предложено применить метод давления в сочетании с предварительным нанесением на нерабочий торец сваркой трением, компенсирующего износ металла. В качестве компенсаторов используют материал изношенных втулок, в результате чего химический состав основного и компенсирующего износ материала будет идентичен.

Основными этапами техпроцесса является приварка компенсирующего материала сваркой трением и горячее пластическое осаживание восстанавливаемой втулки.

 

Рис. 10. Схематическая модель формообразования втулки: 1 - пуансон; 2 - разъемная полуматрица; 3 - кольцевой поясок; 4 - втулка; 5 - бочкообразные выступы; 6-торцы втулки; 7- торец матрицы; 8 - компенсационное кольцо металла

 

На рис. 10 представлена схематическая модель формообразования втулки, основанная на перемещении металла с торца заготовки с приваренным компенсатором на изношенную наружную и внутреннюю поверхности. Эта модель реализована в штампе для осадки, состоящего из ступенчатого пуансона 1, разъемной полуматрицы 2, имеющей кольцевой поясок 3 для обеспечения предварительно центровки деформируемой заготовки втулки 4,

При движении пуансона первоначально  происходит образование бочкообразных выступов 5 по наружной поверхности заготовки. Касание выступов внутренней поверхности разъемной матрицы обеспечивает последующую центровку заготовки в штампе после выхода её торцов 6 за пределы центрирующих поясков 4. После нажатия торца 7 ступенчатого пуансона торцов матрицы начинается принудительное перемещение матрицы. При этом происходит поочерёдное формирование сначала наружной поверхности, затем отверстия поковки втулки. Перемещение пуансона совпадает с направлением течения металла в совокупности со ступенчатой конструкцией пуансона, обеспечивающей последовательное воздействие на заготовку, способствует равномерной деформации детали.

Осадки проходят в 4 стадии: 1 - стадия свободной осадки, 2 - формирование наружной поверхности, 3 - формирование внутренней поверхности, 4 - частичное формирование наружной поверхности и окончательное образование отверстия втулки.¹⁷

Технологический процесс  восстановления втулок обеспечивает комплексное устранение дефектов изношенных деталей. В ходе восстановления сохраняется первоначальная структура металла. Механические свойства восстановленных деталей не ниже, чем у серийных.

Восстановление  пальцев и втулок гусеничных цепей

В Приморской государственной  сельскохозяйственной академии разработан технологический процесс восстановления изношенных изношенных пальцев и втулок гусеничных цепей движителей комбайнов тракторов пластическим деформированием с приваркой к восстанавливаемым деталям кузнечной сваркой при рабочем ходе осаждения компенсационных колец и дисков для компенсации уменьшения длинны втулки и пальца вследствие износа (рис. 11).

Рис. 11. Схема восстановления изношенных пальцев и втулок: 1 - изношенная втулка; 2 - компенсационное кольцо (диск); 3-установоч¬ный штифт; 4 - пуансон; 5 - изношенная втулка; 6 - полуматрица; 7 - поверхности разъема; 8 – фиксатор

 

Предварительно нагретые до температуры 900...950 изношенна втулка 1 (палец 5) и компенсационное кольцо или диск 2 совместно укладываются в полуматрицу 6 и зажимаются установочным штифтом 3, фиксирующим размер внутреннего диаметра втулки под палеи. Матрица помещается на столе гидравлического молота и посредством пуансона 4 производится удар. При этом происходит осадка втулки или пальца и одновременная приварка компенсационного кольца за счет энергии удара и трения (совместный процесс кузнечной сварки и сварки трением).¹⁸

После снятия нагрузки полуматрицы разъединяют по поверхностям разъема 7 и удаляют установочный штифт выпрессовкой. Размеры деталей после пластического деформирования соответствуют размерам заготовок. Термической обработкой, шлифованием и развертыванием получают пальцы и втулки нормальных размеров. Толщина компенсационного кольца или втулки определяют, исходя из объемных величин износов пальцев и втулок.

Использование разработанного способа и устройства для деформирования в горячем состоянии при восстановлении втулок и пальцев гусеничных цепей комбайнов и тракторов позволяет снизить расход металла, так как в настоящее время практически все втулки и пальцы из нового материала точением, то есть экономить около 20 т стали марки 40Г.¹⁹

Эксплуатационные испытания  гусеничных цепей движителей комбайнов, собранных с использованием восстановленных втулок и пальцев в производственных условиях уборки зерновых, сои и риса показали их полную работоспособность. При этом интенсивность износа восстановленных и новых деталей практически не отличаются.

Восстановление  посадочных отверстий стальных и  чугунных деталей

Для восстановления поверхностей отверстий стальных и чугунных термически необработанных деталей с целью  уменьшения их диаметров применяют местный нагрев. Этот метод основан на том, что при нагреве внутренней поверхности детали металл в зоне нагрева будет расширяться, а окружающая его холодная масса будет препятствовать этому расширению. В результате на границе горячей и холодной зоны возникнут внутренние напряжения. Как только они превысят предел упругости, то вызовут пластическую деформацию нагретого металла. Чем выше будет перепад температур на границе между горячей и холодной зоной металла, тем большую деформацию детали следует ожидать. Например, при восстановлении размеров отверстий маховика, потерявшего плотность посадки на валу, стенки отверстия быстро нагревают до температуры 700...800 °С узкой полосой на глубину 10...15 мм. Затем маховик охлаждают на воздухе, в результате чего диаметр отверстия уменьшается на 0,2-0,3 мм.

При восстановлении этим способом отверстий корпусных деталей  из углеродистых сталей нагрев осуществляют до 340...450 °С со скоростью 5...20 град/с, а до 750...770 °С со скоростью 50...100 град/с, охлаждение спрейером со скоростью 150...250 град/с при длительности процесса 30...45 с. В результате деформации диаметр отверстия в 250 мм уменьшается на 0,70-0,75 мм.²⁰

Возможно восстановление деталей закалкой за счет разницы удельного веса различных структур, а также благодаря деформациям от тепловых и структурных напряжений. Например, так восстанавливают закалкой в масле посадочное отверстие распределительной шестерни двигателя.

Исследование возможности  восстановления деталей типа «полый цилиндр» поверхностным нагревом с быстрым последующим охлаждением показало, что при высоте детали больше диаметра уменьшается высота и увеличивается диаметр, а при высоте детали меньше диаметра увеличивается высота и уменьшается диаметр.

Не выявлены закономерности выше описанных способов восстановления деталей, что сдерживает их распространение в ремонтном производстве. В связи с тем, что детали типа «полый цилиндр» изнашиваются как по наружным, так и по внутренним цилиндрическим поверхностям, имеют разные соотношения геометрических параметров, различный характер и величину износа, то для восстановления и упрочнения каждого условного класса деталей следует применять индивидуальный способ ТПД.

Однако наряду с преимуществами способа ТПД ему присуши ряд  недостатков: так называемой «черновины» после механической обработки, вызванные неравномерностью изменения линейных размеров; наличием микротрещин, вызванные сложным напряженно-деформированным состоянием.

1.5. Гидротермическая раздача поршневых пальцев, устранение дефектов звездочек

Гидротермическая раздача поршневых пальцев

К числу высокоэффективных  и сравнительно недорогих способов восстановления поршневых пальцев относится гидротермическая раздача. Для теоретического обоснования новой технологии авторами введено понятие коэффициента относительной толщины стенки

= ( - )/ ,

где , - внутренний и наружный диаметры поршневого пальца.

Анализ конструктивных соотношений элементов и технических  характеристик поршневых пальцев показал, что коэффициент изменяется в пределах 0,3...0,5. Для получения обобщающих зависимостей влияние коэффициента на раздачу диапазон его изменения расширен от нуля до единицы.²¹

Рассмотрим сечение  трубчатого образца, подвергающегося  нагреву и охлаждению в соответствии с режимами гидротермической раздачи ГТР.

При нагревании металлического изделия до заданной температуры  увеличивается как наружный, так  и внутренний его диаметры получают размеры (рис. 12).

При воздействии охлаждающей жидкости на внутреннюю поверхность внутренний кольцевой слой образца стремится уменьшиться в объеме. Разогретый наружный кольцевой слой охлаждается замедленно и потому препятствует сокращению внутреннего кольцевого слоя до исходных размеров.

 

Рис. 12. Схема изменения линейных размеров сечения трубчатого образца при гидротермической раздаче

 

Внутренняя зона металла, будучи связана с наружными слоями, не может уменьшиться в объеме, несмотря на стремление к этому. В результате внутренняя зона остывает и утрачивает свою пластичность, образуя жёсткое кольцо. Внутренний жесткий каркас, в свою очередь, предотвращает усадку наружного кольца. По описанной выше методике проведены исследования трубчатых образцов из среднеуглеродистой стали 45, из которой изготавливают поршневые пальцы большинства автомобильных двигателей.

Устранение  дефектов звездочек

Основным дефектом звёздочек цепных передач является износ зубьев по толщине. Техническими требованиями предусматривается выбраковка их при износе зубьев на 40 %.

В последние годы для  восстановления некоторых деталей стали применять метол пластического деформирования как в холодном (для низкоуглеродистых сталей), так и в горячем состоянии.

Восстановленные детали отличаются высокой точностью и чистотой поверхности.

Материал в процессе деформации упрочняется. Коэффициент упрочнения при степени реформации, равной 40 %, составляет 1,7, а при 60 % - 1,9.²²

 

Рис 13. Штамп для устранения дефектов: 1 - кронштейн; 2 - пневмоцилиндр; 3 - плавка; 4,6 - верхняя и нижняя вставки; 5 - направляющая; 7 - блок; 8 - палец; 9 - вилка; 10 - траверса; 11 – клин

 

Во ВНИИТУВИДе разработана технология пластического деформирования звёздочек горячем состоянии. Сущность его заключается в использовании металла диска для компенсации износа зубчатого венца, перераспределением его в нагретом состоянии штамповкой с последующей накаткой зубьев (рис. 13). При штамповке не допускается нарушение деления зубчатого венца. Толщина зубчатого венца должна обеспечивать свободный вход его между ребордами накатных валиков с учётом допускаемого торцового биения и температурного расширения. Базирование производиться по отверстию ступицы.

Штамп 70-1307-2001 для радиальной раздачи зубчатых венцов звёздочек состоит из блока 7, кронштейна 1, пневмоцилиндра 2, планки 3, вилки 9, траверсы 10, двух направляющих 5, комплектов верхних 4 и нижних 6 вставок, пальцев 8, клина 11. Для штамповки использован пневматический молот МА-4134. Производительность его - 25 звёздочек в час.