Поверхностное пластическое деформирование
Полетаев В.А.

6.1 Основные методы поверхностно пластического деформирования (ППД)

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

При ППД по схеме качения ДЭ (как правило, ролик или шарик) прижимается к поверхности детали с фиксированной силой Р (рис.6.1.а), перемещается относительно нее, совершая при этом вращение вокруг своей оси. В зоне локального контакта ДЭ с обрабатываемой поверхностью возникает очаг пластической деформация (далее очаг деформации - ОД), который перемещается вместе с инструментом, благодаря чему поверхностный слой последовательно деформируется на глубину h (рис.6.1.б), равную глубине распространения ОД. Размеры ОД зависят от технологических факторов обработки - силы Р, формы и размеров ДЭ, подачи, твердости обрабатываемого материала и др.

В соответствии с ГОСТ 18296-72 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.

Алмазное выглаживание применяется для ППД закаленных сталей и деталей маложестких, т.е. тогда, когда невозможно применить обработку накатыванием (рис.6.2). Недостатком выглаживания является низкая производительность и невысокая стойкость инструмента.

Дорнование - это деформирующее протягивание, калибрование, применяется для обработки отверстий (рис.6.3). Это высокопроизводительный процесс, сочетающий в себе возможности чистовой, упрочняющей, калибрующей и формообразующей обработки. Формообразующая обработка применяется для получения на поверхности детали мелких шлицов и других рифлений. Толщина упрочненного слоя при дорновании регулируется натягом, т.е. разностью диаметров дорпа «D» и отверстия «d» заготовки.

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 (рис.6.4). 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.

Дробеструйная обработка (наклеп) осуществляется за счет кинетической энергии потока чугунной, стальной или другой дроби, который направляется например, роторным дробеметом (рис.6.5)

Центробежно-шариковая обработка осуществляется за счет кинетической энергии стальных шариков (роликов), расположенных на периферии вращения диска (рис.6.6)

При вращении диска под действием центробежной силы шарики отбрасываются к периферии обода, взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью и отбрасываются внутрь гнезда.

Поверхностное пластическое деформирование:

• повышает плотность дислокаций в упрочненном слое;

• измельчает исходную структуру;

• повышает величину твердости поверхности;

• уменьшает величину шероховатости;

• повышает износостойкость деталей;

• возрастает сопротивление схватыванию;

• увеличивается придел выносливости.

6.2. Расчет глубины деформационного упрочнения поверхностного слоя

Упрочненный слой - это слой, параметры состояния которого отличаются от параметров основного материала. Однако граница раздела упрочненного и основного материала сильно размыта из-за того, что контролируемый параметр изменяется вблизи этой границы с весьма малым градиентом. Поэтому толщина упрочненного слоя определяется всегда с погрешностью, величина которой зависит от метода измерения и присущих ему погрешностей. Совершенно ясно, что первые признаки искажения кристаллической структуры будут обнаружены физическими методами исследования на большей глубине, чем первые признаки увеличения микротвердости или искажения координатной сетки. В связи с этим понятие толщины упрочненного слоя является достаточно условным, а числовые значения, приведенные в различных источниках, могут отличаться на десятки процентов.

С позиций механики деформирования глубина упрочнения определяется границей очага деформации. Таким образом, для точного прогнозирования глубины упрочнения имеет значение адекватность теоретической модели и связанная с ней конструкция поля напряжений (деформаций).

На рис.6.7. показана упрощенная схема поля напряжений.

Точка А^/, которая легко выявляется профилографированием очага деформации, определяет длину L передней внеконтактной поверхности волны ВА^/.A^/K^/Д^/С^/- граница области развитых пластических деформаций, нижняя точка которой определяет толщину упрочняемого слоя h. Поля деформаций, расположенные ниже этой точки, не вызывают заметного изменения сопротивления металла пластическим деформациям. Линии ВК^/ и КА^/ подходят к ВА^/ под углом . Из геометрических соображений имеем:

При наиболее часто применяемых режимах обработки l >> h _в.

Тогда

Исследованиями установлено, что

Подставляя (3) в (2) получим

6.2.1 Расчет приближенного значения накопленной деформации поверхностного слоя

Согласно / /:

где: Г- значение накопленной деформации поверхностного слоя.

В- коэффициент, равный , 4,5 5,4.

R_пр- профильный радиус инструмента.

d- параметр, получаемый со при вдавливании инструмента в металл, связан с размером площади контакта инструмента с деталью и силой Р_у.

6.2.2 Определение подачи S^/_z

6.2.3 Определение диаметра ролика

D_р = 40…100 мм.

«D_р » должен быть кратным диаметру детали и по возможности меньшим.

6.2.4 Определение силы обкатывания

.

где: R _p- радиус ролика; R _д- радиус детали.

где: - напряжение на площадке контакта, Мпа

- степень деформации ,

Г- накопленная деформация поверхностного слоя.

6.2.2 Сущность упрочнения пластическим деформированием

Поликристаллические твердые тела состоят из большого числа зерен (кристаллов), разделенных между собой границами. Каждое зерно содержит дефекты. Зерна имеют различную ориентировку (рис.6.9)

При приложение внешнего напряжения к металлу пластическая деформация в первую очередь произойдет в зерне, наиболее благоприятно ориентированном к внешнему напряжению (т.е. с наибольшим касательным напряжением). С ростом внешнего напряжения наблюдается постепенное вовлечение остальных зерен в процессе пластической деформации при сохранении сплошности зерна. На рисунке показана схема передачи пластической деформации от зерна к зерну. Под действием внешнего сдвигающего напряжения дислокации генерируемые активным источником В, приходят к границе зерна и задерживаются около нее. По мере накопления дислокаций у точки «Р» растет напряжение. Однако этого недостаточно, чтобы перейти из одного зерна в другое через границу MN. Поэтому распространение скольжения от одного зерна к другому осуществляется за счет того, что при достижении определенного значения напряжения в точке «P» возбуждается источник дислокации в соседнем зерне, например в точке А.

Движение дислокаций, генерируемых источником А, будет происходить по наиболее благоприятно ориентированной плоскости скольжения.

Рассмотренный механизм торможения дислокаций у границ зерна называется барьерным упрочнением.

Упрочнение более интенсивно происходит на границах зерен, мелкое зерно упрочняется интенсивнее крупного.

Напряжение текучести «» в зерне диаметром «d», в соответствие с соотношениями Холла- Петча, зависит от составляющих:

где: (₀- напряжение как результат сопротивления движению дислокаций в теле зерна, не зависящего от размера зерна (внутренне трение);

к- константа, характеризующая трудность эстафетной передачи пластической деформации от зерна к зерну.

Напряжении текучести (сопротивление деформации) возрастает с уменьшением размера зерна не из-за наличия границы самой по себе, а из-за взаимодействия между зернами, разделенными этой границей.

Если дислокация надежно задерживается границей и возможности эстафетной передачи деформации ограничены, то деформация локализуется в микрообъемах, а напряжение текучести возрастает.

Существенная локализация деформаций повышает концентрацию напряжений, что приводит к преждевременному разрушению, т.е. снижению пластичности.

Наряду с величиной зерна на деформационное упрочнение металлов большое влияние оказывает количество и размер внутризеренных блоков (ячеек). С повышением степени деформации и роста плотности дислокаций происходит дробление зерна на блоки по плоскостям скопления дислокаций.

Наряду с дроблением зерна на блоки происходит разориентация блоков по границам на некоторый угол . При ( (2,5…5)⁰ граница блоков оказывает сопротивление движению дислокаций.

По типу сопротивления дислокаций «леса». Если ( (2…5)⁰, то границы блоков становятся местом скопления дислокаций, повышающими деформирующее напряжение.