Операции восстановления деталей перемещением металла на изношенные поверхности

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)

 

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: