Технологические процессы реновации методами механической обработки

Им. Н. Э. Баумана

Технологические процессы реновации методами механической обработки

Москва

Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана

2014

Московский государственный технический университет

Им. Н. Э. Баумана

И.Г. Кременский, С. М. Карпов

Технологические процессы реновации методами механической обработки

Учебное пособие по курсу лекций

Москва

Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана

2014

Содержание
Введение…………………………………………………………………..
Технологические процессы реновации давлением…………………….
1.1	Теоретические основы разработки процессов восстановления деталей пластическим деформированием……………………….
1.2	Способы восстановления деталей перемещением металла на изношенные поверхности………………………………………...
1.3	Восстановление кривизны деталей пластическим деформированием (правка)…………………………………………………..
1.4	Восстановление характеристик поверхностного слоя деталей пластическим деформированием………………………………...
Список рекомендуемой литературы…………………………………….

 

Введение

Говоря «Технологические процессы реновации», подразумевают, главным образом, технологию обработки выбракованных вследствие эксплуатации деталей для их вторичного использования либо в качестве ремонтной заготовки для изготовления той же или другой детали, либо в качестве продукта для получения нового материала.

Ремонтной заготовкой называют состояние восстанавливаемой детали после создания на ее поверхностях припусков для последующей механической обработки с целью обеспечения необходимой точности и шероховатости. Ремонтную заготовку получают одним из трех технологических методов. Первый – нанесение на поверхность восстанавливаемой детали покрытия наплавкой, напылением, электрохимическим осаждением. Способы создания ремонтных заготовок путем нанесения покрытий получили наибольшее распространение; при это материал покрытий в большой мере определяет свойства поверхностного слоя, формирование которых связано с термическим воздействием на деталь, химическими и структурными изменениями ее поверхности. Этот метод создания ремонтных заготовок рассматривается в курсе «Технологические процессы реновации сваркой и наплавкой».

Второй – пластическое деформирование; третий предполагает выкраивание припуска из материала самой детали для ее обработки резанием под один из ремонтных размеров. Эти методы, имеющие общие физико-механические основы, рассматриваются в данном курсе. Кроме того, механическая обработки резанием применяется не столько при обработке под ремонтный размер заготовки, сколько, в основном, для ее последующей обработки после пластического перераспределения металла и после нанесения покрытий, а также перед их нанесением. Ремонтная заготовка имеет свои специфические особенности как заготовка для обработки резанием, технология которой поэтому также имеет свои особенности.

Метод восстановления деталей механической обработкой давлением и резанием отличается относительно низкой энерго- и трудоемкостью, позволяет восстанавливать не только размеры, но и прочность, долговечность деталей.

Технологические процессы реновации давлением включают процессы пластического деформирования при восстановлении деталей, используемые в трех направлениях;

- для перемещения металла со свободной поверхности на изношенную;

- для исправления кривизны деталей;

- для придания необходимых свойств восстанавливаемой поверхности.

У всех этих процессов есть свои особенности, отличающие их от традиционных процессов формообразования поковок и деталей.

Самая очевидная особенность пластического деформирования при восстановлении деталей – малая степень деформации. Известно, что свыше 85% деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин, станочного оборудования, стационарных двигателей и других машин становятся неработоспособными при износе, не превышающем 0,2…0,3 мм, а изменение кривизны при правке не превышает несколько угловых градусов.

Столь малые деформации позволяют при расчетах записывать условие сохранение объема не в логарифмических, а в относительных деформациях; требования по точности восстанавливаемых деталей и малая величина деформаций влекут за собой необходимость учета упругих деформаций. Учет упругой деформации и ее неравномерности по высоте необходим, например, при восстановлении цилиндрических деталей осадкой, механическим обжимом и раздачей. Очевидна важность учета упругих деформаций для точности восстанавливаемых деталей при исправлении их кривизны, значения которой часто лежат целиком в области упругих деформаций.

Небольшая величина требуемых для восстановления деформаций дает возможность достичь их только за счет действия термических напряжений. Так при термоупругопластическом деформировании (ТПД) остаточное формоизменение получают созданием переменного градиента температуры, как вдоль радиуса, так и вдоль оси цилиндрических деталей. Формируя при этом в нагретом металле сжимающие напряжения, которые больше предела текучести, пластически деформируют этот металл до степени, достаточной для восстановления детали.

При восстановлении деталей часто требуется небольшое направленное перемещение метла на изношенное место; такую деформацию целесообразно осуществлять локальным приложением нагрузки, т.е. внедрением в тело детали инструмента с размерами, незначительными по сравнению с ее размерами. Большую долю таких технологий при восстановлении деталей пластическим деформированием можно считать еще одной его особенностью. Внедрение инструмента может вызывать перемещение металла навстречу ему и в сторону; соотношение этих перемещений зависит от расстояния оси инструмента до края детали. Если это расстояние незначительно и преобладает течение металла в сторону, то такой процесс называют восстановлением вдавливанием, которым уменьшают диаметр изношенных отверстий или увеличивают размер по внешнему контуру деталей. Если металл поднимается навстречу вдавливаемому инструменту, образуя рифленую поверхность, то такой процесс называют накерниванием и накаткой, когда эффект локального деформирования при восстановлении деталей проявляется в полной мере.

Локальное внедрение инструмента – индентора в поверхность детали сопровождается не только подъемом металла навстречу инструменту, но и пластической деформацией под ним. Вследствие этого на некоторой глубине создаются сжимающие остаточные напряжения. Это происходит при поверхностном пластическом деформировании (ППД), когда такие единичные нагружения покрывают всю поверхность. В разнообразных технологических процессах ППД сжимающие остаточные напряжения и наклеп существенно улучшают характеристики восстановленной разными методами поверхности детали. А деформации, вызываемые остаточными напряжениями, используют в процессах правки деталей особенно сложной формы, таких как коленчатые валы.

В предлагаемом читателю курсе лекций дисциплины рассмотрены теоретические основы расчетов параметров технологических процессов восстановления деталей, основные законы пластического деформирования, основы метода расчета деформирующих сил по приближенным уравнениям равновесия и условию пластичности. Рассмотрены операции пластического деформирования при восстановлении деталей перемещением металла на изношенные поверхности: осадка, раздача, обжим, при этом выделено термопластическое деформирование: раздача и обжим. Дан анализ особенностей пластического перемещения металла локальным внедрением инструмента при вдавливании, накатке, деформирующем резанием и приведены примеры этих процессов при восстановлении деталей. Основные виды поверхностного пластического деформирования рассмотрены, главным образом, с точки зрения их использования при восстановлении свойств поверхностного слоя деталей.

 

Давлением

Осадка

При осадке восстанавливают детали с изношенной боковой поверхностью приложением осевой сжимающей силы за счет уменьшения размера по высоте детали. Операция «осадка» широко используется в технологии изготовления деталей и заготовок пластическим деформированием, однако ее применение для восстановления деталей имеет ряд особенностей, присущих и другим операциям восстановления.

При восстановлении цилиндрических деталей за счет уменьшения их высоты Н на величину ∆Н увеличивают их диаметр D на величину необходимого приращения δ приложением к торцу давления q (табл.2 раздаточного материала). Например, при восстановлении круглого штыря для модельных плит диаметр изношенной детали 34, 4 мм увеличивают до диаметра 35,2 ± 0,1 мм. Из условия постоянства объема можно выразить необходимую степень деформации:

,

где -  относительное приращение на сторону.

 

В рассматриваемом примере степень деформации  = 3,8 %. Из статистики восстанавливаемых деталей известно, что, например, в двигателестроении 95% из их числа отбраковывают при износах, не превышающих 0,3 мм. Поэтому приведенная степень деформации близка к верхней границе реально используемых и, действительно, степени деформации при восстановлении деталей значительно менее 10% (т.е. безусловно, относятся к малым деформациям). Это важно еще и потому, что уменьшение высоты детали сопровождается уменьшением опорной площади боковой поверхности.

Можно подсчитать, что уменьшение опорной поверхности реально не превышает 2%, а «прочнисты» для ответственных деталей допускают это уменьшение до 8%.

В приведенном примере диаметр штыря увеличивают до 35,2 мм, а деталь должна иметь номинальный диаметр 34,85_{-0,05 мм, т.е. 0,175 мм – припуск на сторону. Чаще всего после восстановления получают не деталь, а ремонтную заготовку. При осадке основная причина этого – неравномерная деформация из-за наличия трения на торцах заготовки и инструмента.}

Осевая сжимающая нагрузка должна была бы вызывать линейное однородное напряженное состояние и однородную деформацию сжатия. Однако наличие трения на контактных с инструментом поверхностях приводит к неоднородности деформаций, образованию «бочкообразной» боковой поверхности. Степень неоднородности деформированного состояния можно оценить предложенным Е.П. Унксовым коффициентом:

,

где     - диаметр заготовки на ее торцах;

     - начальный диаметр заготовки;

  - диаметр идеальной цилиндрической заготовки после деформации (без трения).

Очевидно, что коэффициент   =0 при отсутствии трения на торцах заготовки, когда   =  ; максимальное значение коэффициента  =1, если течение металла на торцах заготовки при ее деформации полностью отсутствует и «бочкообразность» заготовки максимальная.

При определении степени деформации, необходимой для увеличения диаметра на заданную величину , нужно учитывать неравномерность деформации. Из условия постоянства объема и формулы для определения коэффициента   можно вывести зависимость для определения необходимой степени деформации:

Реальные значения коэффициента неравномерности деформации    находятся в пределах 0,1…0,7 (на основании экспериментальных данных, см. рис.9). Из графической зависимости    от параметров  и    при их реальных значениях видно, что значения деформации по высоте не превышают нескольких процентов также, как и увеличение деформации из-за учета ее неравномерности.

Хотя увеличение степени деформации ε от коэффициента   не велико, надо иметь в виду, что неоднородность деформации вызывает и неоднородность свойств в детали. Поэтому иногда стремятся уменьшить коэффициент трения на торцах применением различного рода смазок, вытачиванием концентрических канавок для задержки смазки на торцах детали, использованием тонких прокладок из мягкого металла и др.

Неравномерность деформации другого рода может возникнуть при осадке за счет потери устойчивости (изгиба) детали, которая происходит, когда относительная высота  превышает критическую величину .     Эта величина зависит от эксцентриситета сжимающей силы (который в той или иной степени есть всегда), геометрической точности детали и инструмента и от модуля упрочнения материала n. Известна эмпирическая формула:  (к – коэффициент). В промышленных условиях величина  = 1,7 – 3,0, т.к. влияющие на нее вышеприведенные факторы меняются в широких пределах.

В то же время большое количество восстанавливаемых деталей типа осей, пальцев, валов имеют относительную высоту больше . Например, шарнирный палец компрессора тепловозного двигателя из стали 45; Н RC = 50 (поэтому предварительно проводили отжиг), диаметр пальца – 45 мм, высота 180 мим, компенсируемый износ – 0,5 мм на диаметр плюс припуск – 0, 3 мм. Легко подсчитать, что степень деформации при восстановлении этой детали меньше 4%, потеря опорной поверхности 1,8 %, но   = 4. Осадку таких деталей можно выполнять только в штампах с подпором, предотвращающим потерю устойчивости восстанавливаемой детали. В приведенном примере это – стальные секторы, опирающиеся на эластичную прокладку в цилиндрической обойме. Известны также штампы, в которых поддерживающие элементы выполнены в виде раздвигающихся клиновых сегментов (рис. 10). Основной рассчитываемый конструктивный параметр такого штампа – величина угла клина b, задающая необходимое усилие подпора. При определении величины угла b и последующем изготовлении штампа строго регламентируются посадки и шероховатости опорных поверхностей клинового механизма, их твердость. Такие штампы сложны в изготовлении и относительно дороги.

Осадкой восстанавливают не только сплошные, но и полые детали типа втулок, полых осей и др. Рассчитать в этом случае распределение деформации на внешнем и внутреннем диаметре сложно из-за зависимости этого распределения от очень многих факторов: соотношения высота и диаметра, диаметров между собой, условий на контакте, свойств материала. Полые детали чаще восстанавливают в инструменте, ограничивающем перемещение металла; особенно детали типа втулок со шпоночными канавками или прорезями, буртами и днищами. Например, для восстановления осадкой внутреннего изношенного диаметра втулки 3 (рис. 11) в нее вставляют калиброванный палец 2 диаметром, меньшим внутреннего диаметра втулки на величину компенсации износа и припуска на обработку отверстия после деформирования. Затем втулку 3 вместе с пальцем 2 устанавливают в кольцо 4 и опоры 1 и 5. При осадке на прессе металл заполняет зазор между пальцем и изношенной поверхностью.

Деформирование чаще выполняют в условиях холодной деформации, что позволяет принимать меньшую величину припуска, сохранять хорошую шероховатость поверхности и восстанавливать более высокие детали из-за меньшей опасности потери устойчивости. Но при большом износе и с целью уменьшения потребной деформирующей силы могут восстанавливать и с предварительным нагревом детали. Так, например, известен процесс восстановления полых осей (пальцев) звеньев гусениц и пластинчатых цепей, при котором один из пальцев разрезают на кольца расчетной высоты и приваривают их стыковой сваркой к восстанавливаемому пальцу. Затем эту сварную заготовку нагревают и укладывают в нижнюю половину штампа, прижимают верхней половиной, вводят в отверстие оправки и осаживают в торец с двух сторон.

Осадка в закрытых штампах, когда металла полностью заполняет замкнутую полость, имеет особенности. Поскольку течение металла ограничено стенками штампа, размер восстановленной детали целиком соответствует размерам инструмента, точность может быть получена выше, чем при свободной осадке. В этом случае можно получить не ремонтную заготовку, а готовую деталь. Например, восстанавливали втулку верхней головки шатуна двигателя автобуса «Икарус» из алюминиевого сплава. Высота втулки 42 мм; номинальный внутренний диаметр – 45,05 ± 0,025мм; износ – 0,15¸0,22 мм; после осадки на оправке получают размер – 45.05¸45,055.

Особенно примечательно в отношении получения именно детали то, что для получения точности внутреннего диаметра по высоте оправка имеет не цилиндрическую, а фасонную поверхность, чтобы компенсировать разную упругую деформацию по высоте (на краях она больше).

Другая особенность осадки в закрытом штампе касается расчета необходимой деформирующей силы. Давление и силу свободной осадки рассчитывают по формуле Зибеля, вводя при необходимости эмпирические коэффициенты, учитывающие условия деформирования. Но при осадке в закрытой полости потребная деформирующая сила может быть значительно больше, т.к. определяется необходимостью заполнения углов, чему препятствуют значительные силы трения, Известны формулы из теории штамповки в закрытых штампах, носящие в основном эмпирический характер и отличающиеся большой громоздкостью.

Иногда осадка имеет своей задачей не увеличение поперечного размера для восстановления детали, а именно заполнение угла и образование достаточно острой кромки. Это имеет место при восстановлении ножей промышленных мясорубок с затупленными режущими кромками. За счет уменьшения толщины и перемещения металла из тыловой части ножей происходит заполнение угла (90^о) у режущей части.

Приведенные примеры не охватывают все разновидности процессов восстановления деталей осадкой. В литературе упоминается осадка на части восстанавливаемой детали (высадка); осадка для восстановления конической поверхности (шаровые пальцы рулевой тяги); осадка с одновременным контактным нагревом при восстановлении сильно изношенной средней части детали и др.

 

 

Раздача

Наиболее широко при восстановлении полых деталей применяется операция – раздача (таблица 2) , при которой увеличиваются наружные размеры за счет увеличение размеров полости. Давление, необходимое для этого подсчитывают по формулам на основе формулы Ламе, вывод которой рассматривали выше:

Очевидно, что при отношении    (точно 2,963) пластическая деформация по всему сечению становится невозможной, а происходит только на внутреннем поверхностном слое.

Схемы приложения внутреннего давления могут быть разные. Раздача может производиться в специальном приспособлении, имеющим вид клинового штампа с расходящимися секторами. Чтобы распределить давление равномерно и исключить искажения внутреннего отверстия, число секторов должно быть достаточно большим (например, 12 и более).

Чаще восстановление деталей раздачей производят по схеме так называемого объемного дорнования. В этом случае пластическое деформирование производят путем проталкивания инструмента в виде стальных или твердосплавных дорнов, прошивок, шаров (рис. 12) через внутреннее отверстие детали. Объемное дорнование может быть свободным (рис. 12а) и несвободным (рис. 12б), когда деформирование наружной поверхности ограничено жесткой обоймой.

При дорновании происходит увеличение внутреннего и наружного диаметров с одновременным уменьшением толщины стенки и возможным уменьшением высоты.

Основные технологические параметры процесса: натяг дорнования - разность между диаметром деформирующего инструмента и диаметром полости, контактирующей с ним

i=d_д-d;

относительный натяг дорнования – отношение натяга дорнования к диаметру полости

относительная деформация при дорновании – отношение разности диаметров наружной поверхности детали после раздачи и до нее к исходному наружному диаметру

Во избежание разрушения детали максимальную относительную деформацию не рекомендуется принимать более 0,05…0,06. В этом случае значение максимального относительного натяга можно считать зависящим только от отношения наружного и внутреннего диаметров m=D/d (рис. 13)

Оптимальный угол конуса дорна a возрастает с увеличением натяга и толщины стенки; его величина лежит в пределах 4^о...7^о.

В процессе дорнования макрогеометрические искажения отверстия детали переносятся на ее наружную поверхность, что может ухудшить точность наружного диаметра. Чем больше колебания размеров отверстия, тем больше благодаря дорнованию уменьшаются погрешности толщины стенки детали.

Впереди дорна образуется пластическая волна, увеличивающая площадь контакта металла с инструментом и, следовательно, силу трения на контакте. Дорнование без смазочного материала вследствие молекулярного сцепления между обрабатываемой деталью и инструментом вызывает налипание металла на инструмент и может привести к заклиниванию дорна в отверстии. Применением смазок с поверхностно активными веществами коэффициент трения при холодном дорновании снижают до 0,04…0,12.

При выборе величины натяга, необходимой для обеспечения требуемого увеличения наружного диаметра, нужно учитывать, что его величина меньше приращения на удвоенную величину утолщения стенки, т.е. диаметр дорна:

,

 где   - абсолютное утонение стенки, которое увеличивается с увеличением натяга (рис. 14). При величинах натяга, реально используемых при восстановлении деталей, уменьшение толщины стенки составляет примерно 1%.

Величина относительной деформации дорнования равна 0,007…0,02, т.е. как и при восстановлении осадкой лежит в области малых деформаций.

Сила дорнования необходима не только для преодоления сопротивления металла деформированию, но и для преодоления сил трения на контакте инструмента и детали. Таким образом, эта сила должна зависеть: от материала; относительной толщины m=D/d; натяга; коэффициента трения; угла конусности дорна и от размеров детали. Известна формула для определения давления на контакте с инструментом:

,

где

тогда полная сила дорнования:

где  - ширина ленточки дорна;

 - коэффициент трения;

- угол конусности дорна.

 

На ремонтных предприятиях холодной раздачей восстанавливали поршневые пальцы, трубы рулевой колонки, цилиндры амортизаторов и др. С нагревом существует известный процесс восстановления крестовин карданных валов, при котором раздачу шипов крестовины осуществляют твердосплавным цилиндрическим дорном с конической заходной частью, совершающим кроме поступательного и вращательное движение. При вращении вследствие действия сил трения на контакте дорна с деталью выделяется тепло, нагревая шип до 950-1000^о С. При такой схеме дорнования в отличие от других не происходит укорочение детали (наоборот происходит небольшое удлинение); процесс отличается высокой производительностью, малым потреблением энергии, высокой экономической эффективностью.

Раздачу втулок (например, поршневых пальцев карбюраторных двигателей) с относительно большой толщиной стенок производят на электрогидравлических установках. Сущность электрогидравлической раздачи в том, что внутри детали создаются импульсные высокие давления при прохождении высоковольтного разряда в жидкости. Для того, чтобы электрический разряд проходил вдоль оси детали, в ее внутреннюю полость устанавливают полиэтиленовый разовый патрон 2 (рис. 15). В полость патрона помещается алюминиевая проволока 3 для создания цилиндрической ударной волны; деталь 4 вместе с патроном устанавливают в технологический узел, подают в полость воду и подводят к подвижному электроду 1. После замыкания электрической цепи на электроды разряжаются высоковольтные конденсаторные батареи 5; в результате импульсного электрического разряда возникает ударная волна, которая раздает палец со скоростью до 200 м/с. Импульсный характер нагрузки позволяет деформировать детали с пониженной пластичностью без образования микротрещин и без поверхностного упрочнения. Электрогидравлической раздачей удается получить приращения наружного диаметра поршневых пальцев до 0, 2 мм.

Расчет параметров электрогидравлической установки, мощности разряда, выбор номера разового патрона ПЭВ (патрон электровзрывной) можно осуществлять на базе методик, используемых для широко распространенного процесса развальцовки труб в трубных решетках теплообменников.

Обжатие

Операция восстановления внутренних поверхностей деталей за счет уменьшения внешних размеров – обжатие (табл.2) противоположна по назначению раздаче и во многом аналогична ей.

Механическое обжатие производят проталкиванием детали 2 пуансоном 1 через отверстие матрицы 3 (рис.16), поэтому напряженное состояние в очаге деформации – всестороннее неравномерное сжатие. В недеформированной части заготовки действуют осевые сжимающие напряжения, которые также как при осадке могут привести к потере устойчивости и изгибу недеформированной части восстанавливаемой детали. Осевые сжимающие напряжения растут при прочих равных условиях с ростом величины натяга – разницы внешнего диаметра восстанавливаемой детали и диаметра отверстия матрицы. Таким образом, предельная величина степени деформации определяется не разрушением заготовки, а потерей ее устойчивости. Считают, что при относительных толщинах стенки S/D > 0,02, критическое напряжение, при котором происходит потеря устойчивости . Следовательно, при реально используемых размерах восстанавливаемых деталей опасности потери устойчивости практически нет

Матрица для обжатия обычно состоит из трех частей: приемной части, обжимающей и калибрующей. Оптимальный угол конусности обжимающей части лежит в пределах 15…20^о. Внутреннюю поверхность матрицы для уменьшения коэффициента трения обрабатывают до высокой степени шероховатости и используют различные смазки.

Поскольку при обжатии толщина (как и длина) увеличивается, диаметр матрицы определяют:

,

 где - наружный диаметр изношенной детали;

- разность между размером внутренней поверхности до и после обжатия (на сторону);

- утолщение стенки, определяемое по формуле:

,

что фактически дает ту же величину, что и утонение при раздаче.

Необходимая для обжима деформирующая сила зависит от тех же факторов, что и при раздаче; некоторые источники предлагают определять давление обжатия так же, как при раздаче, на основе формулы Ламе. В литературе предлагаются и другие формулы, например:

,

(обозначения см. табл.2)

 

Вдавливание

Во многих случаях в деталях изнашиваются и требуют восстановления локальные поверхности, значительно меньшие габаритов детали. Очевидно такие поверхности целесообразно восстанавливать направленным перемещением металла от локального внедрения инструмента или вдавливанием инструмента. При вдавливании клинообразного инструмента (рис. табл. 2) металл может перемещаться в сторону свободной поверхности и навстречу движению инструмента (образуя около него валик).

Причем с увеличением расстояния a от угла деформация в большей степени происходит навстречу инструменту и в меньшей – на свободную поверхность. В литературе встречается определения, согласно которому при  абсолютно преобладает деформация в сторону свободной поверхности и именно это называют операцией «вдавливанием»; при  металла практически полностью течет навстречу движению клина, что характерно для операции – накатка. Но эта граница очень условна и кроме всего прочего зависит от формы инструмента.

Инструмент для вдавливания может иметь разную форму, в литературе приводят примеры восстановления шлицев продольным вдавливанием ролика и восстановления шестерен вдавливанием кольцевого пуансона клиновидных сечений (рис. 21). Но большая часть всех восстанавливаемых поверхностей – так называемые «малые» отверстия, диаметр которых значительно меньше габаритных размеров детали и близок по величине к высоте отверстия. Поэтому технологию восстановления вдавливанием можно рассмотреть применительно к восстановлению отверстия кольцевыми пуансонами (рис. табл.2). Такие отверстия могут быть под болты, шпильки, штифты и пр. в дисках, ступицах муфт, торцевых крышках и т.п.

С первого взгляда на схему восстановления вдавливанием обращают на себя внимание факты, ставящие по сомнение целесообразность этого способа восстановления. Во-первых, неравномерность деформаций по высоте; во-вторых «порча» свободной поверхности и степень допустимости этой «порчи» с учетом необходимости полностью компенсировать утраченный объем.

Эксперименты по вдавливанию пуансонов разной формы (клиновидной и торрообразной) на разном расстоянии от края свинцовых образцов, анализ методов конечных элементов, проведенные студентами МГТУ, а также анализ на основе компьютерной программы «QFORM», известный из литературы, показали, что большую равномерность деформации по высоте обеспечивают пуансона торроидальной формы или с сечением в виде равнобедренной трапеции. Оптимальное расстояние от края – 2…3 толщины пуансона. Характер распределения деформации по высоте отверстия при таком расстоянии и форме пуансона несколько отличен в разных источниках, но приближенно имеет характер, показанный на рис. 22; на глубине, равной шести глубинам внедрения пуансона, отличие в величине деформации не превышает 1,5.

Глубину внедрения пуансона, необходимую для компенсации утраченного объема, можно определить из геометрических соотношений, приравняв смещенные объемы канавки и кольца толщиной в припуск δ и высотой отверстия (при условии перехода всего металла на внутреннюю поверхность отверстия). Из-за неравномерности деформации для обеспечения той же величины минимального приращения поверхности δ вдавливаемая канавка должна быть больше. Если аппроксимировать распределение реальной деформации по половине высоты отверстия линейной зависимостью, можно ввести поправочный коэффициент η, определяемый как отношение всего смешенного объема к объему кольца толщиной δ и высотой Н (рис. табл. 2). Аналитическая зависимость η от относительной неоднородности деформации позволяет получить реальное значение коэффициента η. При максимальном отличии в величине деформации и практически максимальном износе отверстия 0,3 мм на сторону коэффициент η≈1,4. Радиус и глубину внедрения пуансона r можно определить по рассчитанной зависимости r/н от относительного изменения диаметра отверстия  (рис. 23), из которой видно, что r реально не превышает 0,15 Н.

Нужный размер канавки задается штампом, конструкция которого, учитывая ограниченную повторяемость восстанавливаемых отверстий, должна быть относительно простой. В литературе приводится технология восстановления отверстий под заклепки в ступице муфты сцепления двигателя целиком в одном штампе одновременно с центральным шлицевым отверстием. Конструкция штампа в этом случае сложная, штамп дорогой и требует для своей окупаемости достаточно много восстанавливаемых деталей. Кроме того, размер ступицы около 220 мм, а рассматриваемые «малые» отверстия чаще на деталях со значительно большими габаритами. Поэтому неизбежно приходим к идее поочередного восстановления отверстий с помощью штампа, в котором кольцевой пуансон, вдавливаемый в деталь с одной стороны (рис. 24), центрируется по отверстию с помощью утапливаемого ловителя – оправки. Такой штамп может устанавливаться на деталь непосредственно; конструкция его проста и допускает восстановление отверстий в небольшом диапазоне размеров.

В приводимом выше примере восстановления ступицы целиком в одном штампе деформирование осуществляли с предварительным нагревом. А нагрев больших деталей затруднителен, и при последовательной установке штампа деталь будет остывать (требуются манипуляции и со штампом, и с деталью). Существенно улучшить перспективы восстановления отверстий пластическим деформированием может применение холодного вдавливания. Однако это сдерживают прежде всего значительные контактные давления на инструмент (проблема его стойкости) и опасность образования трещин на свободных поверхностях у малопластичных материалов деталей.

Допустимыми контактными давлениями, при которых достигается экономическая стойкость инструмента, при холодной штамповке считают давления 2200…2800 МПа (в зависимости от схемы деформирования). С другой стороны холодное вдавливание при восстановлении отверстий по схеме деформирования ближе всего к выдавливанию полостей инструмента мастер- пуансоном, при котором его достаточная прочность обеспечивается при удельных силах 3500…4300 МПа. Вдавливание мастер- пуансоном производят в заготовки из сталей с высоким сопротивлением деформированию и начальной твердостью до 180 НВ, но относительная глубина полости при этом до 1,5 (max до 2). Особенность штампов, определяющая их предельную прочность – небольшая относительная высота свободной рабочей части в конце рабочего хода. Таким образом, возможности восстановления отверстий холодным вдавливанием шире, чем при холодной штамповке вообще. Кроме того, как уже упоминалось, «малые» отверстия характерны для массивных деталей (маховиков, ступиц, дисков), которые чаще при их изготовлении не закаливают. В тоже время при вдавливании в свободную поверхность происходит упрочнение и поверхности отверстия, поскольку холодная пластическая деформация распространяется и на нее. В литературе приводится пример, когда вокруг отверстия с целью его упрочнения по окружности вдавливают шарик.

Силу вдавливания можно определять по формулам,  приводимым в литературе по изготовлению полостей инструмента мастер-пуансоном. В этих формулах удельная сила вдавливания прямо пропорциональна начальной твердости материала по Бринеллю и опытным коэффициентам, учитывающим форму пуансона. Очевидно это имеет основание, учитывая реальное сходство процесса вдавливания пуансона и шарика при испытаниях по Бринеллю.

При ремонте и восстановлении возможны случаи, когда материал детали, а тем более его свойства неизвестны, и реально можно определить только твердость. Учитывая это, а также то, что определение механических свойств металла по твердости исследовано с высокой степенью достоверности, можно предложить методику, позволяющую просто и наглядно определить давление на пуансон. Построив по таблицам твердости кривую 1 (рис.25) – зависимость НВ и показателя деформации , и учитывая хорошо известную зависимость истинного временного сопротивления от твердости по Бринеллю σ_s= 0,383 НВ (для сталей), накладываем на координаты НВ - , кривые упрочнения для сталей в координатах  σ_s и относительная деформация ψ. Точка пересечения каждой кривой упрочнения с кривой 1 показывает величину истинную сопротивления деформированию при вдавливании индентора на величину, соответствующую данному значению твердости. Замерив твердость детали с отверстиями, подлежащими восстановлению, можно по точке на кривой 1 аппроксимировать кривую упрочнения материала с достаточной степенью точности. По этой кривой упрочнения можно найти величину напряжения текучести соответствующую необходимой для восстановления отверстия величине вдавливания пуансона. Например, ступица или диск из стали 40Х после закалки и отпуска имеют твердость 250 НВ, тогда при вдавливании пуансона на глубину, равную 0,8 от его ширины, напряжение текучести для расчета деформирующей силы можно принять равным 1200 МПа. Таким образом, для реальных деталей и величин износа мало вероятно превышение удельных сил на инструмент допустимых значений.

Другой фактор, сдерживающий применение холодного вдавливания, - опасность образования трещин на восстанавливаемых деталях вследствие пониженной пластичности – можно уменьшить смягчением схемы напряженного состояния. Это достигается соответствующей конструкцией инструмента (пуансон более притупленный) и использованием прижимов. В приведенной выше конструкции простого штампа для восстановления отверстий вдавливанием подпор металла можно регулировать не прижимом, а устанавливаемым ловителем 3 (рис. 26) меняя, например, угол его конусности.

Приведенные на примере восстановления «малых» отверстий особенности технологии восстановления вдавливанием можно отнести и к другим деталям и поверхностям. Так в литературе упоминается процесс восстановления деталей типа различных кулаков с изнашиваемой внешней поверхностью, например, разжимной кулак передних и задних тормозов автомобиля «КамАЗ»

Накатка

Для накатки характерно течение металла навстречу внедренному в него инструменту с образованием в результате рифленой поверхности (рис. табл. 2). За счет этого можно увеличить наружный или уменьшить внутренний диаметр деталей с одновременным снижением соответствующей опорной поверхности.

Допустимой считают потерю опорной поверхности, не превышающей половины всей восстанавливаемой поверхности детали. Таким образом, если определить высоту подъема металла h (рис. 26) , как сумму износа детали на сторону и глубины внедрения накатника, это условие допустимой потери опорной поверхности можно записать:

где   d и - начальные диаметр и длина детали соответственно;

 γ - половина угла при вершине клинового инструмента;

 - число шагов на длине детали.

Из этого неравенства можно определить величину шага выступов:

 

Из условия стойкости инструменты используют угол заострения клина 2 γ = 60…70^о. Шаг зубьев при использовании накатных зубчатых роликов чаще 1,5…1,8 мм. Если подставить значение тангенса типичного угла клина: h ≤0,9t т.е. чаще h ≤ 1,35…1,65 мм

В сравнении с гладкими поверхностями износостойкость восстанавливаемых накатыванием поверхностей снижается на 20…25%. Накатку применяют для восстановления поверхностей деталей (в основном посадочных мест под подшипники качения), воспринимающих удельную нагрузку до 7 МПа. Вместе с тем нужно отметить простоту технологического процесса восстановления деталей накаткой, его малую трудоемкость и высокую эффективность, простоту инструмента и оборудования (зачастую используют токарный станок и зубчатый ролик на оправке, закрепленный в суппорте станка). Ручной, слесарный разновидностью накатки можно считать процесс накернивания изношенных посадочных мест валов под подшипники качения.

На практике чаще накатку выполняют в холодном состоянии, что в первую очередь определяется свойствами восстанавливаемой детали. Так, холодное  накатывание применяют только для деталей с твердостью до ≈ 270 НВ.

Горячая накатка используется при так называемом электромеханическом способе, сущность которого заключается в том, что к детали, закрепленной во вращающихся центрах, и к клиновидному накатнику, закрепленному в суппорте, подводится ток большой силы (300…1000 А). В результате на контакте твердосплавного инструмента с деталью происходит нагрев металла до температуры 800…1000^о С, что позволяет получить приращение диаметра детали до 1,3 мм.

Деформирующую силу при накатке можно определить по формуле на единицу длины

 

или с учетом реальных значений величин можно считать давление накатки:

q @ 0,5 σ_в

Очевидно, что такое давление может приводить к деформированию оси детали или смятию полой детали. Для уменьшения силы накатки можно уменьшать угол клина накатника, но это может приводить к образованию трещин в его основании, нарушению сплошности металла, т.е.е к процессу, близкому к обработке металлов резанием.

 

Деформирующее резание

Деформирующее резание или подрезание с отгибом – процесс несущий в себе признаки и обработки резанием и пластического деформирования. Суть метода в том, что с помощью резца металл подрезается его главной режущей кромкой, а вспомогательная режущая кромка (не участвуя в процессе резания, как у обычных резцов) отгибает деформирует подрезанный слой. Это достигается значением передних углов на вспомогательной кромке менее 50^о. Стружка своей узкой стороной остается прикрепленной к детали и ее можно отогнуть под разными углами (рис. 27).

На поверхности детали образуется развитый макрорельеф (рис. 28, 29) в виде оребрения. Параметры оребрения и сама возможность процесса зависят от пластичности обрабатываемого материала, соотношения глубины резания и подачи.

Для материалов с δ >30 % (главным образом это цветные металлы) высота ребер может составлять h=7t; для материалов с δ = 20…30 % (большинство сталей) максимальная высота ребер h =(3…5)t; материалы с δ < 18% не поддаются обработке деформирующим резанием (без подогрева детали). Твердость материала детали не должна превышать 220 НВ.

Диапазон шагов оребрения t = 20 мкм…2 мм. В зависимости от соотношения углов резца в плане: основного и вспомогательного можно получать разный наклон ребер. Типичный профиль оребрения на сталях с вертикальным расположением ребер получается при φ = 90⁰. При равенстве углов φ = φ^/ возможно получение макрорельефа с В = 0 ( рис. табл. 2). Уменьшение уменьшает толщину ребра и увеличивает ширину канавки В.

Увеличение наружного размера на стальных деталях реально до 0,8 мм на диаметр при вертикальном расположении ребер. При открытой регулярной пористости опорная поверхность теряется примерно на 30% ( а не на 50%, как при накатке). Вместе с тем несущая способность поверхности повышается за счет существенного повышения твердости ребер при их пластическим деформировании. Кроме того, форма ребер способствует хорошему удержанию наполнителей и твердых смазок. Наполнителями чаще служат ремонтные составы: метало – или керамиконаполненные компаунды. Ремонтные составы используются только для заполнения межреберного зазора, а размер обеспечивается ребрами, по вершинам которых базируется шпатель, наносящий наполнитель. Также могут межреберные промежутки заполняться твердый смазкой (дисульфит молибдена, графит и др.), обеспечивая при этом допустимые давления до 30 МПа.

Конкретным примером такого восстановления может быть «подъем» изношенной поверхности вала тепловой электростанции массой 900 кг. На участке длиной 200 мм, диаметр 190 мм увеличили на 0,8 мм с заполнением межреберного зазора ремонтным составом «Belzona». Время оребрения 3 мин на токарном станке без использования СОТС. Этот пример является характерным, поскольку деформирующее резание (ДР) используется для восстановления крупногабаритных деталей, не подвергающихся термическому упрочнению при изготовлении.

Кроме того, что ребра могут непосредственно обеспечивать несущую способность восстановленной поверхности своими вершинами, они могут за счет значительного увеличения поверхности (для сталей в 5 раз), а значит усиления адгезионной связи с наносимыми покрытиями, и за счет реализации анкерного (замкового) эффекта надежно удерживать различные наносимые покрытия. Анкерный эффект может быть обеспечен наклоном ребер ( с помощью разворота резца), осадки их вершин, загибом вершин. Покрытие, нанесенное на такую поверхность не отслаивается, а разрушается по своей толщине, поэтому сдвиговые силы, которые способны выдержать покрытие, значительно возрастают. В этом случае компенсация износа происходит за счет собственной толщины покрытия.

Широкое распространение получили способы газотермического напыления; сверхзвуковым газопламенным напылением удалось получить твердосплавное покрытие толщиной до нескольких миллиметров, что было неосуществимо без подготовки поверхности деформирующим резанием. Например, на предварительно оребренные кольца деформирующих прошивок сверхзвуковым газопламенным напылением наносили твердый сплав (карбид вольфрама 88% и кобальта 12%) толщиной покрытия порядка 0,3 мм. Длительные испытания этих прошивок в условиях больших контактных давлений и сдвиговых нагрузок не показали отслоений ни на одном из колец.

Оребрение поверхности с очень малыми межреберными зазорами (менее 150 мкм) позволяет получать диффузионным легированием покрытия толщиной до 3 мм, превосходящие традиционные диффузионные по износостойкости в 1,5…3 раза.

Деформирующее резание реализуется на стандартном металлорежущем оборудовании с практически такими же параметрами, как при черновом точении, с силами, не приводящими к смятию и изгибу даже на тонкостенных деталях.

 

Обкатывание и раскатывание

Этот способ ППД чаще применяют для поверхностей вращения наружных и внутренних. Инструментом являются шары и ролики обычно из подшипниковой стали диаметром от 0,25 мм до 30 мм (иногда и больше). Отпечаток инструмента во время обкатывания превращается в пластически деформированную канавку, которая при обработке цилиндрических поверхностей с подачей (табл.3) представляет собой винтовую поверхность. Ширина канавки во много раз превышает подачу; при втором и последующих оборотах детали инструмент (шарик или ролик) выходит на уже деформированную поверхность, несколько расширяя ее.

Шаровые устройства (рис. 38) применяют для обработки маложестких и неравножестких деталей, в том числе деталей с высокой твердостью поверхности.  Получаемый в итоге регулярный микрорельеф поверхности с канавками заданного вида (наплывы с обеих сторон канавки могут быть больше высоты исходной шероховатости) обеспечивает удержание смазки и уменьшение изнашивания. Достигаемый параметр шероховатости при обкатывании шаром ( R _а 0,04…0,4 мкм) прямо пропорционален подаче во второй степени и обратно пропорционален радиусу шара. Увеличение твердости при обкатывании зависит не только от давления, но и от других параметров. Так, наибольшее увеличение твердости (от 15 до 25% по отношению к исходной) наблюдается для материалов со структурой мартенсита, не подвергшихся отпуску. От многих параметров зависят и остаточные напряжения, значение которых у поверхности могут достигать 400 МПа (сталь 45).

При обкатывании роликовым инструментом отпечаток может иметь различную форму в зависимости от конфигурации ролика, кривизны поверхности и угла между осью ролика и поверхностью. Пластическое деформирование может протекать неравномерно, что обусловливает образование волнистости на обкатанной поверхности. Неоднородность упрочненной поверхности и шероховатости в значительной степени вызываются неравномерностью микронеровностей исходной поверхности (кроме неравномерности силы обкатывания, вибраций станка, биения роликов и их неточной установкой). Достижимый параметр шероховатости может колебаться в широких пределах: R_a 0,07…0,32 мкм и выше.

Основные параметры обкатывания и раскатывания: сила, подача, скорость.

Поскольку сила обкатывания при завышенной величине может вызвать перенаклеп, ускоряет износ инструмента и ухудшает работу оборудования, ее назначают минимальной, обеспечивающей производительный процесс обкатывания и удовлетворительную глубину наклепанного слоя. Силу обкатывания можно определить по приводимой в справочной литературе номограмме в зависимости от диаметров вала и инструмента.

Рост величины подачи увеличивает производительность процесса, но при значениях, выше допустимых, резко уменьшаются остаточные напряжения, глубина их залегания, ухудшается шероховатость поверхности. При обработке стальных деталей рекомендуется величина подачи 0,06…0,08 мм/об.

Скорость обкатывания почти не оказывает влияния на характеристики поверхностного слоя; обычно она составляет 20…200 м/мин, т.к. при большей скорости сильно растут вибрации и динамические нагрузки на инструмент.

При восстановлении деталей широко используют совмещенные способы – наплавку поверхности, расточку и обкатывание (или раскатывание). Сложность обкатывания таких поверхностей – неоднородная твердость по ширине шага наплавки, приводящая к волнистости после обкатывания.

Обкатыванием обрабатывают не только цилиндрические, но и поверхности сложной формы. Сферические поверхности обрабатывают или двумя симметрично расположенными роликами с радиусом обкатываемой сферы, или роликами обычной конфигурации на станках с копирными устройствами и программным управлением. По последней схеме обкатывают и сложные фасонные поверхности.

Резьбы целесообразно подвергать упрочняющей обкатке, т.к. после нарезания резьбы остаются концентраторы напряжений. Обкатывают их роликами обычно по тем же схемам и на том же оборудовании, что и при накатывании резьбы. Припуск при этом обычно не превышает 0,08…0,2 мм.

Зубчатые колеса обкатывают высокопрочными колесами повышенной точности по окружности или специальными профильными роликами вдоль впадины.

Технологическая оснастка для обкатывания и раскатывания очень разнообразна: однороликовые и многороликовые устройства, бессепараторные и сепараторные, с механическими (пружинными), пневматическими и гидравлическими нажимными устройствами. Созданы специальные инструменты и устройства для обкатывания фасок, кольцевых и винтовых канавок.

В качестве оборудования в большинстве случаев используют универсальные металлорежущие станки.

Кроме этого используют ударное раскатывание специальным инструментом, в котором ролики в сепараторе вращаются между обрабатываемой поверхностью и кулачковой оправкой (рис.39). Деталь испытывает двойное воздействие: вследствие раскатывания и приложения ударной нагрузки. Кратковременное приложение нагрузки позволяет обрабатывать отверстия в деталях малой и неравномерной жесткости.

Ударное раскатывание вызывает локальное, неоднородное в точке контакта пластическое деформирование. Однако большое число ударов и их равномерное распределение по обрабатываемой поверхности как бы «усредняет» воздействие – в результате создается равномерный упрочненный слой. Ударное раскатывание ведут при подаче смазочно-охлаждающих жидкостей. Припуск на обработку стальных деталей обычно не превышает 0,015 мм.

Выглаживание

Выглаживание (2 на табл.3) – пластическое деформирование поверхности скользящим по ней инструментом, обладающим низким коэффициентом трения по металлу и высокой твердостью (алмазы и другие сверхтвердые материалы). Инструмент как бы раздвигает металл, образуя на поверхности канавку, ширина которой больше подачи, поэтому новый микрорельеф имеет высоту неровностей меньше исходной.

Выглаживание проводится в условиях трения скольжения (в отличие от процесса обкатывания), вследствие этого решающее значение для качества поверхности имеет коэффициент трения между инструментом и обрабатываемой деталью. Он наиболее существенно зависит от силы выглаживания и твердости обрабатываемой детали: с увеличением силы (до оптимального значения) коэффициент трения увеличивается, а с возрастанием твердости металла - уменьшается. Обычно коэффициент трения m = 0,05…0,08.

Температура в очаге деформирования на глубине до 0,1 мм не превышает 200…400° С при скорости выглаживания до 100 м /мин. Процесс проводят с подачей СОТС, что способствует повышению стойкости инструмента.

Благодаря малым радиусам рабочей части инструмента (1…3 мм) при сравнительно небольших нагрузках можно упрочнять детали с малой жесткостью. Размер детали после выглаживания может уменьшаться на 3…5 мкм. Шероховатость – R_a 0,16…0,02 мкм.

Интересно, что выглаживание может применяться в качестве контрольной операции при восстановлении особо ответственных деталей, т.к. после выглаживания выявляются микротрещины шириной до 1…3 мкм и другие дефекты, невидимые на шлифованной и полированной поверхности.

При выглаживании оптимальными режимами обеспечивается степень упрочнения 25…40% при глубине упрочненного слоя до 0,4 мм и создаются сжимающие остаточные напряжения до 1,2 ГПа. Существенно при этом, что радиус скругления микронеровностей может достичь 1000…3500 мкм, в то время, как при тонком шлифовании этот радиус составляет 70…100 мкм. А с увеличением радиуса впадин микрорельефа повышаются и усталостная прочность и коррозионная стойкость.

Инструмент для выглаживания – закрепленный в оправке алмаз или синтетический сверхтвердый материал обычно с механической системой поджатия к детали проволочной или пластинчатой пружиной.

Оборудование для выглаживания – обычно универсальные металлорежущие станки.

 

Поверхностное дорнование

Кроме объемного дорнования, рассмотренного в параграфе 2.2, применяется поверхностное дорнование (3 на табл. 3) для уменьшения шероховатости, повышения точности и упрочнения поверхности отверстий.

Основными параметрами процесса, как и при объемном дорновании, являются абсолютный и относительный натяг. Но при поверхностном дорновании величина относительного натяга примерно на порядок меньше, чем при объемном дорновании.

Для нормального протекания процесса дорнования половина натяга, определяемого по минимальному размеру отверстия, должна быть в несколько раз больше допуска на размеры отверстия:

                                     I_max / 2 / (3…5)d,

где d - допуск на размер отверстия.

С увеличением натяга параметр шероховатости поверхности до определенного значения падает, а затем возрастает (рис.40), имея значения R_a 0, 32…0,05 мкм. Суммарный натяг при поверхностном дорновании отверстий до 80 мм обычно не превышает 0,1…0,2 мм.

Оснастка при поверхностном дорновании: дорны однозубые и многозубые, устройства для центрирования и поддержания детали и дорна; патроны.

Оборудование – протяжные станки и прессы.

 

Обработка дробью

Поверхностную обработку дробью (8 в тал. 4) разделяют на два основных способа: дробеударный или сухой дробью (дробеструйный, дробеметный, пневмодинамический) и гидродробеударный или со смазочно-охлаждающей жидкостью (гидродробеструйная, гидродробемётная). Дробь диаметром до 2 мм разгоняют либо лопастями вращающегося колеса, либо давлением воздуха или жидкости.

Характер пластического деформирования и отпечатки на поверхности от дроби в этих способах отличаются. При сухой обработке наплыв металла вокруг отпечатка с более острым гребнем; в тонких приповерхностных слоях остаточные напряжения растягивающие, а в более глубоких слоях – сжимающие. При обработке со смазочно-охлаждающей жидкостью отпечаток имеет более плавные, округлые границы; остаточные напряжения – равномерные, сжимающие.

Кроме того при дробеударной обработке жесткий удар дробинок при значительных скоростях их полета вызывает локальное увеличение температуры (до 650° С для улучшенной стали); параметр шероховатости ухудшается; режим упрочнения носит нестабильный характер из-за заметного разброса диаметра дроби (энергия удара пропорциональна диаметру дроби в третьей степени).

Вместе с этими недостатками обработка сухой дробью имеет и существенные преимущества – простоту конструкции дробеметных и дробеструйных установок, возможность получения высоких скоростей полета, отсутствие необходимости промывать деталь после обработки, более высокую степень и глубину упрочнения.

Основные параметры обработки дробью: рабочая среда (дробь и смазочно-охлаждающая жидкость); расстояние от среза сопла до упрочняемой поверхности; угол и диаметр факела дроби; скорость движения рабочей среды; продолжительность процесса.

Режим необходимого упрочнения оценивают и подбирают экспериментально, обрабатывая партию образцов на настроенной на конкретной детали установке. Упрочняют образцы партиями по 4…5 штук при одном давлении, но разном времени обработки и измеряют стрелу прогиба образца f. Затем строят кривую зависимости прогиба в функции времени обработки. По этим кривым (при разных давлениях) определяют время, после которого прогиб не увеличивается (рис.41).

Кроме обработки дробью динамическое воздействие может сказываться при других схемах ускорения рабочих тел другого вида. Так, при виброударной обработке ( 6 в табл. 4) рабочей камере сообщаются низкочастотные колебания в различных направлениях, вследствие чего между деталями и рабочими телами возникают соударении. Поскольку степень упрочнения прямо связана с амплитудой колебания, которая ограничена (обычно 1,5…6 мм) возможностями используемых вибромашин, при виброударной обработке практически исключен перенаклеп.

Ударная обработка ( 7 в табл. 4) включает способы динамического упрочнения, при которых в отличие от виброударной обработки движение деформирующих тел (шаров, роликов, бойков различной формы) носит не хаотичный, а закономерный, направленный характер. Поскольку скорость и масса инструмента могут при этом варьироваться в широких пределах, ударная обработка – чеканка обеспечивает значительные глубину и степень упрочнения.

Обработку проволочным инструментом (9 в табл.4) можно разделить на съем металла иглофрезами (коэффициент заполнения более 0,7) и зачистку – упрочнение щетками (коэффициент заполнения менее 0,7). Ударные элементы щеток могут быть выполнены в виде прядей троса со скрепленными концами или в виде пружинной проволоки с утолщениями на конце. При обработке деталей из сталей различных марок длинноворсовыми щетками микротвердость поверхности повышается на 70…150 %, а в некоторых случаях – в 2,5…3,5 раза, однако толщина упрочненного слоя не превышает 0,1 мм.

 

Основные кузнечные операции

    Каждая кузнечная операция отличается характером деформирования и применяемым инструментом. Основные операции: осадка, протяжка, отрубка, прошивка, гибка, скручивание, кузнечная сварка. Как правило, кузнечным операциям подвергают нагретую заготовку.

    Осадка, служащая для увеличения поперечных размеров заготовки, рассматривалась применительно к восстановлению деталей в параграфе 2.1. Осадку на части длины заготовки называют высадкой (рис. 42, а). Другая разновидность осадки – разгонка, при которой уменьшение высоты заготовки и увеличение её поперечных размеров производят раскаткой (рис. 42, б), имеющей небольшую контактную площадь с поковкой. Это обеспечивает возможность небольшими силами деформировать заготовку, но её поверхность получается волнистой и для выглаживания пользуются плоскими раскатками, способ применения которых аналогичен полукруглым раскаткам.

    Разгонка по своим результатам представляет собой осадку, но по существу процесса деформирования относится к протяжке.

Протяжкой называют кузнечную операцию, при которой длина заготовки увеличивается за счет уменьшения ее поперечного сечения.

При протяжке деформируются отдельные части заготовки (рис. 43) в определенной последовательности, при этом бойки не перекрывают всю заготовку. Деформирование каждого участка заключается в уменьшении высоты с одновременным уширением и удлинением. Затем заготовку кантуют на 90º и, деформируя следующий ее участок, ликвидируют уширение, образовавшееся при предыдущем деформировании. Таким образом, деформируя заготовку после каждого поворота и осуществляя нужную подачу, уменьшают ширину и высоту заготовки, но удлинение с каждым разом увеличивается.

 При изготовлении поковок протяжка занимает 60…70% всего времени работы.

Соотношение между уширением и удлинением определяется, главным образом, величиной подачи, т.к. ее отношение к ширине заготовки определяет отношение сил трения Т, действующих в направлении длины и ширины заготовки (рис. 43). Поэтому большее уменьшение площади поперечного сечения обеспечивает протяжка с меньшими относительными подачами. Однако при излишне малой подаче могут получаться зажимы; для мелких и средних поковок не рекомендуют брать отношение величины подачи к ширине меньше 0,5…0,7.

    При выполнении протяжки обязательно соблюдать правило: независимо от формы сечения конечной заготовки исходную заготовку сначала протягивают на квадрат, который затем протягивают в квадрат меньшего сечения, и только в конце ковки из квадрата получают требуемую форму сечения, например, круг. Протягивать непосредственно круглую заготовку в круг нельзя, поскольку при этом в осевой зоне заготовки возникают внутренние напряжения, приводящие к осевой рыхлости металла и скрытым трещинам. Во избежание продольного прогиба отношение высоты заготовки к ширине не должно превышать 2…2,5.

    Обычно применяемым показателем формоизменения металла при протяжке является уковка: отношение площади поперечного сечения заготовки F₀ к площади поперечного сечения поковки F_п.

Отрубкой называют кузнечную операцию, с помощью которой от заготовки отделяют ее часть по замкнутому контуру внедрением в заготовку деформирующего инструмента. Отрубка производится с помощью кузнечных топоров и зубил, которые имеют ручки для установки и удержания их в процессе работы (рис. 44, а). Двусторонний топор и кузнечное зубило имеют уклон с двух сторон и внедряются в металл вертикально, поэтому торцы разрубаемой заготовки не перпендикулярны оси. Для получения вертикальной стенки иногда применяют односторонние топоры, имеющие уклон только с одной стороны, но их сильно уводит в сторону при отрубке.

При отрубке небольших заготовок на них устанавливают вертикально топор (или кузнечное зубило) и внедряют его в заготовку до образования перемычки, равной приблизительно ширине обуха топора. Затем заготовку кантуют на 180º и над перемычкой ставят квадратный пруток, которым отделяют перемычку (рис. 44, б).

Прошивкой называют кузнечную операцию, посредством которой в заготовке получают отверстие или углубление. Инструмент – прошивень (рис. 45), имеющий форму поперечного сечения в соответствии с формой отверстия или углубления, которое необходимо сделать в заготовке (чаще всего круглой формы).

При внедрении прошивня в заготовку ее форма искажается: уменьшается высота, наружный диаметр увеличивается с образованием бочкообразности. Причем, чем меньше отношение наружного диаметра заготовки к диаметру прошивня, тем больше искажение формы заготовки. Если это отношение больше пяти, то искажение формы практически не происходит.

Прошивка до получения сквозного отверстия на сплошной опоре невозможна, т.к. резко возрастает необходимая для деформирования сила. Поэтому для получения сквозного отверстия прошивень в заготовку внедряют примерно на 2/3 высоты, затем заготовку кантуют на 180º, прошивень ставят над полостью и выполняют сквозную прошивку с образованием отхода (выдры).

После прошивки отверстие не имеет цилиндрической формы, потому что прошивень имеет коническую форму боковой поверхности. В случае необходимости для придания отверстию цилиндрической формы через него проталкивают бочкообразный прошивень с несколько большим диаметром.

Гибкой придают исходной заготовке изогнутую форму по заданному контуру. Операция гибки производится самыми разнообразными способами, как без специальных приспособлений (универсальным инструментом), так и с применением специальных приспособлений для гибки по наружному контуру. В отличие от гибки для правки, рассмотренной в разделе 1.3 формоизменяющая гибка производится обычно на большие углы и с относительно малыми радиусами. Поэтому операция гибки сопровождается искажением первоначальной формы поперечного сечения заготовки и уменьшением ее площади. Кроме того, возможно образование складок на внутренней поверхности и трещин на внешней. Чем меньше радиус и больше угол гибки, тем сильнее проявляются эти явления. Но поскольку кузнечную гибку проводят в горячем состоянии, упругое пружинение практически отсутствует.

Скручивание – операция, с помощью которой одна часть заготовки поворачивается относительно другой при неизменном направлении оси заготовки. Использование операции скручивания во многих случаях позволяет ковать отдельные участки поковки в одной плоскости, что весьма удобно, а затем разворачивать эти части на разные углы. Скручивание небольших поковок производят вручную, зажимая одну часть заготовки бойками молота или в тисках и скручивая другую с помощью рычажного приспособления – воротка или «вилки».

Операция скручивания требует предварительной подготовки заготовки, т.к. иначе пластическая деформация может сконцентрироваться в одном месте и металл разорвется. Стержневая часть при скручивании немного укорачивается.

Кузнечной сваркой называют операцию неразъемного соединения отдельных частей заготовки. Перед соединением концы заготовки подготавливают, зачищают, затем нагревают эти участки до 1200…1300ºС, добавляют флюс (кварцевый песок, бура, поваренная соль), чтобы исключить пережог металла, накладывают части заготовок друг на друга, обжимают вначале легкими ударами, а затем проковывают окончательно. Ковки производят либо вручную, либо под пневматическим молотом.

Лучшие результаты при кузнечной сварки достигаются для низкоуглеродистой стали с содержанием углерода 0,15…0,25%.

Кузнечная сварка не обеспечивает высокой надежности сварного соединения, она малопроизводительна, пригодна для ограниченного числа сплавов, требует высокой квалификации рабочего и редко применяется на заводах, где имеются другие способы сварки. Однако в особых случаях, при ремонте неответственных деталей и при ковке сложных поковок ручной ковкой кузнечную сварку применяют.

 

Им. Н. Э. Баумана

Технологические процессы реновации методами механической обработки

Москва

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: