Обработка деталей поверхностным пластическим деформированием

Разновидность метода пластической деформации — восстановление деталей электромеханическим выдавливанием. Сущность способа заключается в перераспределении поверхностного слоя металла ремонтируемой детали в результате микронагрева в зоне контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью и радиального усилия инструмента. Для микронагрева используют специальный источник электрического тока, подключенный к восстанавливаемой детали и рабочему инструменту. Давление на рабочий инструмент передается от суппорта токарного станка. Вследствие малой площади соприкосновения инструмента и детали в зоне контакта выделяется большое количество теплоты, размягчающей металл поверхностного слоя детали. При одновременном воздействии микронагрева и радиального усилия инструмента в зависимости от профиля инструмента происходит высадка детали с Д\ до Д2 или сглаживание с Дч до Дтм (рис. 81). За счет интенсивного охлаждения поверхностного слоя металла в результате отвода теплоты с поверхности слоя детали в глубину и пластической деформации на поверхности детали образуется тонкий упрочненный слой, закаленный до высокой твердости.

Рис. 81. Схема электромеханического восстановления деталей: 
1 — высаживающая пластина, 2 — сглаживающая пластина; S — шаг высадки, Р—усилие

Рис. 82. Пост электромеханической обработки: 
1 — источник тока, 2 — аппаратный ящик, 3 — токарный станок, 4 — подвижный скользящий контакт, 5 — деталь, 6 — держатель рабочего инструмента, 7 — токоподводящие кабели

Для поста электромеханической обработки (ЭМО) деталей (рис. 82) используют обычный токарно-винторезный станок нормальной точности, марку которого выбирают в зависимости от размеров ремонтируемых деталей. В качестве источника питания для микронагрева на переменном токе служат специальные понижающие трансформаторы с выходными параметрами: сила тока 200—1200 А и напряжение 2—6 В.

В суппорте токарного станка устанавливают универсальный держатель рабочего инструмента. На держателе ролика на оси неподвижно устанавливают высаживающий или сглаживающий ролик. Держатели роликов и сами ролики — сменные, из твердого сплава Т15К6. Высаживающий ролик затачивают под углом 60—70°, контактную поверхность его скругляют, чтобы не повредить ремонтируемую деталь. Радиус скругления сглаживающего ролика доводят до 40—60 мм.

Технологический процесс высадки ремонтируемых поверхностей производят в такой последовательности. Чистую и проде- фектованную деталь устанавливают и закрепляют в центрах или патроне токарного станка.

Держатель в суппорте регулируют так, чтобы горизонтальные оси детали и высаживающего ролика были перпендикулярны и совпадали по высоте. На токарном станке устанавливают необходимые обороты и шаг подачи.

Суппортом устанавливают высаживающий ролик так, чтобы он плотно касался детали. Включив кнопочной станцией трансформатор, переключателем обмоток и реостатом по показанию амперметра устанавливают необходимую для высадки величину тока.

Суппортом токарного станка придают ролику необходимое давление. После выполнения перечисленных подготовительных операций включают станок, горизонтальную подачу и производят высадку восстанавливаемой поверхности.

Процесс сглаживания выполняют в той же последовательности, что и процесс высадки. Восстановление деталей электромеханическим способом позволяет повысить физико-механические свойства поверхностного слоя детали без изменения его характеристики и дополнительной термической обработки.

 

 

 

 

 

 

Схемы способов восстановления деталей пластической деформацией

 

 

 
4. Особенности  ремонта пластической деформацией

 

При горячей обработке важен интервал температуры обработки, что зависит от химического состава металла. Наивысшая температура обработки не должна вызывать выжигание металла. Слишком низкая температура обработки у мягких металлов может вызвать наклеп, а у твердых – появление трещин.

Так как при ремонте обрабатывают не заготовку, а изношенную деталь, то важны скорость нагрева детали и температура обработки, чтобы избежать выгорания углерода с поверхности детали и образования толстого слоя окалины. Детали желательно нагревать в нейтральной среде (например, в ящике с цементирующим составом).

После пластической деформации детали обрабатывают термически в соответствии с техническими условиями. При холодной обработке всегда в большей или меньшей степени возникает наклеп.

Восстановление деталей давлением является относительно простым способом, но предопределяет наличие приспособлений. При этом металл перемещается на изношенные поверхности. Это предполагает наличие запаса металла. Но детали автомобиля изготовляются с наименьшей возможной массой, и поэтому этот метод не всегда применим.

Изношенные шлицы вала расширяют накаткой роликом. Изношенные конусные отверстия рулевых рычагов можно осадить в приспособлении. Особым штампом вытягивают изношенные шестерни. Втулки из цветных металлов с изношенной внутренней или наружной поверхностью обжимают в холодном состоянии. Отверстия сепараторов конических роликовых подшипников изнашиваются и вытягиваются. Осадить их просто приспособлением Подшипник без наружной обоймы устанавливают внутренней обоймой на палец. Вместо наружной обоймы ставят пуансон, на внутренней поверхности которого имеется столько конических углублений, сколько роликов в подшипнике. К грибку прилагают силу ручного пресса.

Рифлением восстанавливают изношенные шейки под подшипники качения. Размер шейки можно увеличить на 0,4 мм, но площадь соприкосновения при этом значительно уменьшается и долговечность соединения будет малой.

Усталостная прочность деталей, работающих при знакопеременных нагрузках, может при работе или ремонте снизиться. Ее можно увеличить упрочнением (наклепом) поверхности деталей. Роликом, изготовленным из инструментальной стали и закаленным до HRC 62…65, накатывают поверхность, вызывая тем сжимающие напряжения, что повышает усталостную прочность детали. Простейшее приспособление с одним роликом изображено на 109. Накаткой можно несколько повысить и жесткость спиральных пружин. Пружину устанавливают на закаленную оправку, последний виток фиксируется штифтом. На ролике накатки имеется канавка, диаметр которой равняется диаметру проволоки пружины. Накатку закрепляют в резцедержателе токарного станка, а оправку с пружиной – в патроне станка. Устанавливают наименьшие обороты шпинделя станка. Подача суппорта ручная, равная шагу пружины. Накатку прижимают к витку пружины силой до 1000 Н (100 кгс). Жесткость пружины несколько восстановится при многократном накатывании роликом взад-вперед. Накатывают и внутренние поверхности, но приспособления для этого посложнее. Если найдется подходящий шарик, то его можно протолкнуть через отверстие.

Работая на прессах, следят за показаниями манометра, стараясь не превысить допустимого давления. Приспособления для прессовки должны быть надежно закреплены. Когда пуансон дойдет до конечного положения, пресс сразу же выключают. При горячей обработке лицо и тело должны быть защищены от брызг и осколков металла.

Износ, долговечность и надежность соединений в большой степени зависят от шероховатости соприкасающихся поверхностей. В шероховатостях поверхности накапливается масло как в карманах. Поэтому на гладких поверхностях масло удерживается хуже, что увеличивает износ. Шероховатые поверхности имеют малую поверхность соприкосновения, поэтому особенно в период приработки происходит усиленный износ. Из-за этого надо обрабатывать поверхности до оптимальной шероховатости. При этом важно, чтобы шероховатости были определенной формы и размерности.

Качественная поверхность возникает при вибронакатывании. От шарика или алмазного наконечника, движущегося по винтовой или колеблющейся траектории, возникают определенной формы и микрометрической глубины желобки, которые удерживают масло. В них собирается пыль, продукты износа и т. п. и уменьшается абразивный износ. В то же время микрорельеф поверхности становится более плавным. Вибронакатывание является окончательной обработкой поверхности после точения, шлифования или хонингования. Получается такая поверхность, как у деталей после приработки. Это позволяет вообще отказаться от приработки или существенно ее сократить. Вибронакатывание производят на обычных токарных станках, оборудованных виброголовками.

 

5. Влияние пластических  деформаций на структуру и  свойства металла

 

С ростом степени холодной пластической деформации усиливаются прочностные свойства металла (увеличиваются пределы прочности и текучести, твердость), а пластические свойства ослабевают (уменьшаются относительное удлинение и сужение, ударная вязкость) (рис. 1).

 

Рис. 1. Влияние холодной пластической деформации на механические свойства низкоуглеродистой стали

 

Холодная пластическая деформация сопровождается искажением кристаллической решетки металла – образованием новых дислокаций, дроблением зерен, их сплющиванием и удлинением в направлении наибольшего течения металла. В результате искажений кристаллической решетки и появления остаточных напряжений изменяются физико-химические свойства металла, например уменьшаются электро- и теплопроводность. В результате холодной деформации в металле возникают также преимущественная ориентировка (текстура) и анизотропия свойств, т. е. их неоднородность в зависимости от направления преимущественного течения металла.

При неполной холодной пластической деформации с нагревом чистого металла до температур (0,25…0,30) Tпл, где Tпл – абсолютная температура плавления, одновременно с процессом упрочнения металла возникает явление, называемое отдыхом или возвратом. Оно обеспечивает частичное снятие остаточных напряжений, небольшое восстановление пластических свойств и повышает сопротивление металла коррозии.

При неполной горячей пластической деформации с нагревом чистого металла до температуры свыше 0,47Tпл одновременно с процессом упрочнения протекает процесс рекристаллизации – зарождение и рост новых зерен взамен деформированных. После деформации в микроструктуре металла наблюдаются рекристаллизованные (равноосные) и нерекристаллизованные (вытянутые) зерна металла.

При горячей пластической деформации, совершающейся при температуре, превышающей температуру рекристаллизации, в металле протекают одновременно процессы упрочнения и разупрочнения. Если за время деформации рекристаллизация произойдет полностью, то вызываемого упрочнением изменения свойств металла не произойдет. Скорость процесса разупрочнения, вызванного рекристаллизацией, значительно меньше скорости процесса упрочнения. В результате рекристаллизации металл в процессе горячей обработки несколько разупрочняется и стремится приобрести равноосную неориентированную структуру.

Рис. 2. Диаграмма рекристаллизации низкоуглеродистой стали

 

Величина зерен металла м зависит в основном от температуры и относительной деформации (рис. 2). Относительная деформация, равная обычно 5 – 10%, называется критической, поскольку при ней получается максимальная величина зерна. Обрабатывать металл в интервале критических относительных деформаций не рекомендуется. С возрастанием температуры критическая относительная деформация сдвигается влево. Величина зерна в металле тем меньше, чем больше послекритическая относительная деформация.

Холодной деформации, как правило, подвергают предварительно деформированные заготовки (сортовой прокат, листы и т. д.), а горячей – как деформированные, так и литые, например в виде слитков. При горячей обработке давлением слитков разрушается дендритная структура металла, завариваются дефекты (микропоры и неокисленные газовые пузыри), отдельные кристаллиты и неметаллические включения дробятся и вытягиваются в направлении преимушественного течения металла.

Структура металла с расположенными вдоль его течения вытянутыми, а иногда и разорванными на отдельные цепочки неметаллическими включениями называется волокнистой. При последующей термообработке изменить такую структуру невозможно, а повторная обработка давлением может лишь изменить направление волокон. Следствием такой структуры является анизотропия механических свойств металла вдоль и поперек его волокон. Это учитывают при проектировании, технологической разработке и изготовлении изделий. При обработке резанием нежелательно перерезать волокна, так как это снижает прочность деталей. Из двух коленчатых валов, показанных на рис. 3, более прочным будет вал, изготовленный ковкой без перерезания волокон.

 

Рис. 3. Расположение волокон в коленчатом вале, изготовленном резанием (а), ковкой (б)

 

Зависимость механических свойств металла от укова показана на рис. 4. Пластические свойства металла, а также ударная вязкость в продольном направлении возрастают с увеличением укова до 6–10, после чего они остаются приблизительно постоянными. В поперечном направлении эти свойства с увеличением укова уменьшаются, поэтому при необходимости их повысить изменяют направление волокон, например осадкой заготовки.

 

Рис. 4. Зависимость от величины укова относительного удлинения и ударной вязкости продольных и поперечных образцов из поковки, откованнной из стального слитка массой 100 т

6. Оборудование  для некоторых видов пластической  деформации

 

Во многих случаях использование КГШП, предназначенных для горячей объемной штамповки, значительно эффективнее, чем молотов.

Особенностью конструкции КГШП (рис. 5) является то, что все усилия, возникающие при штамповке, воспринимаются массивной станиной, на которой установлен электродвигатель 7, вращающий через шкив 6 и клиноременную передачу маховик 5, закрепленный на приемном валу 8. С этого вала через зубчатые колеса 9 и 12 вращение передается коленчатому валу 10, соединенному шатуном 2 с ползуном 1, который может совершать возвратно-поступательное движение по направляющим 13. Кривошипно-шатунный механизм включается от ножной педали фрикционной пневматической муфтой 11; для остановки выключают пневматическую муфту и включают пневматический ленточный тормоз 3. Маховик останавливают тормозом 4 при выключенном электродвигателе. На станине 15 пресса установлен клиновой стол 14, предназначенный для регулирования высоты штампов при их установке.