Операции термопластического деформирования

 

Термопластическое деформирование происходит под действием термических сжимающих напряжений, превышающих предел текучести материала. Механизм этого процесса можно пояснить простым примером: если стальной стержень зажать с торцов между жесткими упорами, исключив возможность его перемещения, а затем нагреть до высокой температуры (≈900^о С), в стержне за счет его стремления к тепловому расширению возникают сжимающие напряжения. Если эти сжимающие напряжения превысят постоянную пластичности материала, происходит пластическая деформация стержня. После охлаждения пластически деформированный стержень сокращает свою длину и выпадает из упоров.

Термическими напряжениями нельзя достичь больших пластических деформаций, однако необходимые для восстановления деталей малые деформации обеспечиваются. Давно на практике использовали процесс восстановления посадочных отверстий в стальных и чугунных массивных деталях интенсивным местным нагревом внутренней поверхности отверстия. Основная масса холодной поверхности детали препятствует тепловому расширению внутренних слоев металла в которых возникают сжимающие термические напряжения, превышающие предел упругости материала. После полного охлаждения диаметр отверстия получается меньше начального, например, при восстановлении внутреннего диаметра стального маховика – 250 мм его уменьшение составляет 0,7 - 0,75 мм.

В настоящее время в термопластическом деформировании используют две операции – раздачу и обжатие.

При гидротермической раздаче (рис. 17) деталь – втулку нагревают ( в индукторе) до температуры 840…860^о С, зажимают по торцам и подают внутрь с помощью спреера воду. Охлаждение внутренней поверхности происходит с очень высокой скоростью (1600…1800 ). Стремясь к интенсивному сокращению, внутренние слои металла создают во внешних, нагретых слоях сжимающие напряжения выше предела упругости. На этой первой стадии на внутренней поверхности растягивающие напряжения, на внешней – сжимающие (вызывающие ее пластическую деформацию). На второй стадии при охлаждении всей детали на внешней действуют растягивающие остаточные напряжения, а на внутренней – сжимающие.

Величина деформации наружного диаметра зависит от относительной толщины стенки детали, свойств материала (коэффициента теплового расширения), интенсивности охлаждения детали (перепада температур между внутренней и наружной поверхностью). Экспериментальная зависимость (рис. 20) величины относительной деформации наружного диаметра δ от относительной толщины стенки:

b = (D - d)/D,

где D и d – соответственно наружный и внутренний диаметр втулки, показывает, что с увеличением относительной толщины стенки приращение наружного диаметра уменьшается.

Для обеспечения равномерной по длине деформации (отсутствия так называемой «седлообразности») важно обеспечить равномерное по длине детали охлаждение без большего охлаждения концов.

Процесс восстановления термогидравлической раздачей широко применяется для поршневых пальцев дизельных двигателей из стали 12ХНЗА, у которых коэффициент b изменяется в пределах 0,3…0,5. Увеличение наружного диаметра пальца составляет 0,12…0,22 мм (у разных типоразмеров).

Термопластическое обжатие для восстановления (уменьшения) внутреннего диаметра втулок реализуется по разным схемам (рис. 18 а, б) но во всех случаях нагрев втулки происходит в условиях ограничения деформации на внешнем диаметре либо охлаждаемой матрицей, либо охлаждаемыми внешними слоями металла самой детали. Например, при восстановлении гильз цилиндров двигателя изношенную гильзу помещают в водоохлаждаемую матрицу  и токами высокой частоты нагревают деталь до температуры 840…880^О С. При нагреве втулка стремится расшириться, но по наружному диаметру ее расширение ограничено жесткой охлаждаемой матрицей. Поэтому по мере нагрева в металле развиваются напряжения, которые, достигнув определенной величины, вызывают пластическую деформацию. При охлаждении и наружный, и внутренний диаметры уменьшаются, т.е. происходит обжатие втулки. Степень обжатия зависит от отношения наружного диаметра к внутреннему, материала детали, интенсивности и равномерности нагрева.

По другой схеме гильзу устанавливают на стол установки, опускающийся вниз, и непрерывно – последовательно нагревают индуктором до температуры 740-760^о С и охлаждают водой установленным за ним спрейером. Для большей равномерности нагрева стол, опускаясь, вращается. Скорость перемещения стола порядка 2 мм/с (при этом обеспечивается скорость охлаждения 200-300 о/с). При превышении скорости и температуры на внешней поверхности гильзы возможно образование трещин (из-за образования мартенситной структуры). На чугунных гильзах внешним диаметром 130 мм, толщиной стенки – 9 мм, высотой – 287 мм наибольшая величина деформации в окружном направлении составляет 0,9 … 1 мм.

Были созданы автоматизированные установки для восстановления гильз цилиндров двигателей и эта технология была внедрена на шести заводах страны, было восстановлено несколько десятков тысяч гильз.

Важная особенность термопластического деформирования – совмещение пластического деформирования с фазовыми превращениями в металле. Эти превращения могут сопровождаться изменением объема и сказываться, таким образом, на картину распределения напряжений. Так, увеличение объема металла происходит в цементованном наружном слое поршневых пальцев из-за образования мартенсита из переохлажденного аустенита. Это вызывает значительные остаточные напряжения сжатия на наружной цилиндрической поверхности поршневых пальцев (до 400 МПа)

При термопластическом обжиме чугунных гильз зерно и включения графита дробятся и приобретают ориентацию поперек стенки гильзы цилиндра. Пластинчатый графит изменяет форму на вермикулярный. Это повышает износостойкость восстановленных гильз по сравнению с новыми на 30-50%.

 

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.

 

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться: