Процессы поверхностного пластического деформирования

№80-1,

Технические науки

Поверхностное пластическое деформирование (ППД) – это обработка деталей давлением (без снятия стружки), при которой пластически деформируется только их поверхностный слой. ППД осуществляется инструментом, деформирующие элементы которого (шарики, ролики или тела иной конфигурации) взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью по схемам качения, скольжения или внедрения.

Похожие материалы

Поверхностное пластическое деформирование (ППД) – это обработка деталей давлением (без снятия стружки), при которой пластически деформируется только их поверхностный слой. ППД осуществляется инструментом, деформирующие элементы которого (шарики, ролики или тела иной конфигурации) взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью по схемам качения, скольжения или внедрения.

При ППД по схеме качения деформирующие элементы (как правило, ролик или шарик) прижимается к поверхности детали с фиксированной силой, перемещается относительно нее, совершая при этом вращение вокруг своей оси. В зоне локального контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью возникает очаг пластической деформации (ОД), который перемещается вместе с инструментом, благодаря чему поверхностный слой последовательно деформируется на глубину h, равную глубине распространения ОД.

В соответствии с ГОСТ 18296 поверхностное пластическое деформирование при качении инструмента по поверхности деформируемого материала называется накатыванием. В свою очередь, накатывание подразделяется на обкатывание и раскатывание в зависимости от того, какие поверхности обрабатываются: выпуклые (валы, галтели), плоские или вогнутые (например, отверстия). Достоинством накатывания является снижение сил трения между инструментом и обрабатываемым материалом.

К методам ППД, в которых ДЭ работают по схеме скольжения, относятся выглаживание и дорнование. Для этих процессов ДЭ должны изготавливаться из материалов, имеющих высокую твердость (алмаз, твердый сплав и т.п.) и несклонных к адгезионному схватыванию с обрабатываемым материалом.

Выглаживание применяется для ППД закаленных сталей и деталей маложестких, т.е. тогда, когда невозможно применить обработку накатыванием.

Недостатком выглаживания является низкая производительность и невысокая стойкость инструмента.

Методы накатывания, выглаживания и деформирующего протягивания относятся к методам статического поверхностного деформирования. Характерным признаком этих методов является стабильность формы и размеров ОД в стационарной фазе процесса.

Наряду с этими методами в машиностроении существует большое число методов ППД, основанных на динамическом (ударном) воздействии инструмента на поверхность детали). В этих процессах инструмент внедряется в поверхностный слой детали перпендикулярно профилю поверхности или под некоторым углом к ней. Многочисленные удары, наносимые инструментом по детали по заданной программе или хаотично, оставляют на ней большое число локальных пластических отпечатков, которые в результате покрывают (с перекрытием или без него) всю поверхность. Размеры очага деформации зависят от материала детали, размеров и формы инструмента и от энергии удара по поверхности. К методам ударного ППД относятся чеканка, обработка дробью, виброударная, ультразвуковая, центробежно-ударная обработка и др.

Поверхностное пластическое деформирование: повышает плотность дислокаций в упрочненном слое; измельчает исходную структуру; повышает величину твердости поверхности; уменьшает величину шероховатости; повышает износостойкость деталей и сопротивление схватыванию; увеличивает предел выносливости.

Из перечисленных выше методов ППД наиболее эффективным для упрочнения коррозионностойких сталей является метод алмазного выглаживания.

Выглаживание заключается в пластическом деформировании обрабатываемой поверхности скользящим по ней инструментом — выглаживателем. При этом неровности поверхности, оставшиеся от предшествующей обработки, сглаживаются частично или полностью, поверхность приобретает зеркальный блеск, повышается твердость поверхностного слоя, в нем образуются сжимающие остаточные напряжения, изменяется микроструктура и создается направленная структура (текстура). После выглаживания поверхность остается чистой, не шаржированной осколками абразивных зерен, что обычно происходит при процессах абразивной обработки. Такое сочетание свойств выглаженной поверхности предопределяет ее высокие эксплуатационные качества — износостойкость, сопротивление усталости и т.д.

Стойкость природных и синтетических кристаллов алмаза примерно одинакова. Формирование поверхностного слоя при алмазном выглаживании происходит вследствие пластической деформации обрабатываемой поверхности. Под действием радиальной силы, действующей на поверхность контакта алмаза с деталью, возникают контактные давления.

Если их величина превышает предел текучести, возникает пластическая деформация тонких поверхностных слоев. При пластической деформации поверхностный слой приобретает волокнистое специфическое строение (текстуру), исходная кристаллическая решетка искажается.

Эффективность алмазного выглаживания различных материалов в значительной мере определяется их структурным исходным состоянием. При выглаживании деталей из стали 45 установлено, что наиболее интенсивно возникает деформация в феррите, менее интенсивно — в перлите за счет ее блокирования хрупкими цементитными пластинами. Характерно, что насыщение поверхностного слоя дислокациями происходит при выглаживании деталей с определенной силой Pу= 200 Н (для стали 45). При алмазном выглаживании происходят структурные и фазовые превращения. Так, выглаживание деталей из низкоуглеродистой стали, приводит к увеличению концентрации на поверхности атомов углерода в 1,5–2 раза по сравнению со шлифованием. Высокая эффективность упрочнения мартенситной структуры и увеличение предела выносливости по сравнению с сорбитной при поверхностной пластической деформации объясняется более высокой плотностью дефектов, образующихся при деформировании стали с большим содержанием углерода в твердом растворе, а также дополнительным упрочняющим влиянием взаимодействия дислокаций с атомами углерода в мартенсите. Эксплуатационные характеристики деталей машин определяются качеством поверхностного слоя. В тонком поверхностном слое возникают усталостные трещины, происходят процессы коррозии и начинается изнашивание. На процессы изнашивания при контактном взаимодействии будут оказывать влияние как геометрические характеристики поверхностного слоя (макро-отклонения, волнистость, шероховатость), так и физико-механические свойства (твердость и остаточные напряжения, глубина и степень деформационного упрочнения, структурное состояние металла). Шероховатость (высота, форма неровностей и их направление) в значительной степени влияет на износостойкость деталей. Результаты исследований показали, что 70–80 % всей вариации показателей износостойкости связаны с параметрами шероховатости.

В начале работы узла трения контакт поверхностей деталей происходит по вершинам микронеровностей, фактическая площадь контакта мала, а удельные нагрузки большие, часто превышающие предел текучести. Как следствие, происходит разрушение микронеровностей за счет их пластического деформирования или среза, между соприкасающимися поверхностями появляется зазор. Высота неровностей в этот период уменьшается на 65–75 %, что должно привести к увеличению фактической площади контакта, а следовательно, к снижению давления. Однако появление зазоров вызывает увеличение динамической составляющей нагрузки, что затягивает период приработки, а в особо тяжелых условиях контактного нагружения может привести к катастрофическому изнашиванию, минуя фазу установившегося износа.

При работе в легких и средних условиях в период приработки шероховатость приобретает оптимальную высоту и направление, почти не зависящие от первоначальной геометрии. Поэтому важно в процессе механической обработки создавать поверхности, шероховатость которых по возможности будет соответствовать приработанным поверхностям трения для конкретных условий изнашивания. В общем случае изнашивание в зависимости от высоты неровностей имеет характер с явно выраженным оптимумом. Возрастание износа с увеличением высоты неровностей обусловлено механическим зацеплением, срезом и их смятием, а при уменьшении высоты неровностей по сравнению с оптимальной поверхностью износ увеличивается за счет возникновения молекулярного сцепления и заедания плотно соприкасающихся поверхностей.

Как указывалось выше, гальваническое нанесение хрома в машиностроении весьма эффективно, но не лишено недостатков. Так, покрытие по мере износа может отслаиваться от поверхности детали под действием абразивных включений, попадающих в трущиеся поверхности. Поэтому требуется дополнительная обработка методом пластического деформирования с целью ликвидации рисок и задиров на поверхности покрытия.

Металлизированные покрытия, также нашедшие широкое применение в машиностроении, имеют недостатки. Исследованиями установлено, что в металлизированном покрытии имеется большое количество пор. Поры хорошо удерживают масло при работе деталей в узлах трения с применением смазки. Однако, при работе поверхностей трения в условиях контакта с жидкой средой такие покрытия разрушаются из-за расклинивающего эффекта жидкости в порах. Поры необходимо закрыть, и это возможно только при помощи дополнительной обработки методом пластического деформирования.

Поэтому задачей данной работы является проведение экспериментов по исследованию влияния метода пластического деформирования, в частности, метода алмазного выглаживания на изнашивание поверхностей трения наносимых покрытий.

Список литературы

  1. Насосы: Каталог–справочник 3–е изд. испр / Д.Н. Азарх, Н.В. Попова, Л.П. Монахова. – ВНИИгидромашиностроение. – Л..: – Машгиз (Ленингр. отд–ние), 1960. – 552 с.
  2. Насосы: Справочное пособие / К. Бадене, А. Градевальд [и др.] пер. с нем. В.В. Малюшенко, М.К. Бобка. – М.: Машиностроение, 1979. – 502 с.
  3. Насосы и компрессоры. /М.: Недра. – 1974. – 296 с.
  4. Котов, О.К. Поверхностное упрочнение деталей химико–термическими методами / О.К. Котов. – М.: Машиностроение, 1969. – 344 с.
  5. Абрамов, В.В. Напряжения и деформация при термической обработке стали /В.В. Абрамов. – Киев.: Вища шк., 1985. – 135 с.