Актуальной задачей современного машиностроения является обеспечение долговечности деталей машин, которая в существенной мере определяется качественным состоянием поверхностного слоя. Именно от качества обработки во многом зависят важнейшие показатели механизмов — работоспособность, надежность, металлоемкость, себестоимость и другие технические и технико-экономические характеристики.
Работоспособность деталей машин зависит от качества обработки входящих деталей и состояния их поверхностного слоя, которое направленно формируется на финишных операциях технологического процесса изготовления.
Поверхность и поверхностный слой детали с точки зрения прочности являются ослабленными. Основной причиной этого является то, что атомы на поверхности имеют устойчивые связи только с соседними и нижележащими атомами, и их состояние является неуравновешенным, неустойчивым.
Разработан ряд методов, позволяющих улучшить состояние поверхностного слоя, в частности, большое распространение получили методы поверхностного пластического деформирования (ППД). 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 в результате деформационного упрочнения поверхностного слоя, в нем возникают сжимающие остаточные напряжения, сглаживаниее неровностей и улучшение их профиля, повышается прочность деталей при переменных нагрузках в 1,5 — 2,5 раза, а долговечность в 5 — 10 раз и более.
В настоящее время проводится большое количество исследований по нахождению оптимальной системы параметров качества поверхностей деталей машин, которая бы наиболее полно отображала их эксплуатационные свойства.
Усилиями многих ученых внесен значительный вклад в развитие теории поверхностно пластического деформирования. Среди которых Азаревич Г. М., Алексеев П. Г., Браславский В. М., Дрозд М. С., Жасимов М. М., Зайдес А. В., Илюшин А. А., Ишинский А. Ю., Кудрявцев И. В., Маталин А. А., Папшев Д. Д., Рыжов Э. В., Сидякин Ю. И., Смелянский В. М., Суслов А. Г., Шнейдер Ю. С., Ярославцев В. М., Юдин Д. Л. и др.
Цель работы — повышение производительности труда и снижение себестоимости изготовления детали за счет применения методов ППД.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
При изготовлении и эксплуатации деталей машин на их поверхностях образуются неровности и микронеровности, а слой металла, непосредственно прилегающий к поверхности, изменяет структуру, фазовый и химический состав, в нем возникают остаточные напряжения.
Слой металла, имеющий отличные от основной массы детали структуру, фазовый и химический состав, называют поверхностным.
В условиях эксплуатации поверхностный слой подвергается наиболее сильному физико-химическому воздействию, поэтому к поверхностному слою предъявляются обычно более высокие требования, чем к основной массе детали.
Физико-механические свойства изменяются при изготовлении деталей, а затем — во время эксплуатации под действием силовых, температурных и других факторов.
Поверхность твердого тела по сравнению с его внутренней частью имеет ряд особенностей. Любой атом, расположенный внутри твердого тела с идеальной кристаллической решеткой находится в состоянии подвижного устойчивого равновесия, поскольку для него по всем направлениям интенсивность солового поля одинакова. В ином положении оказываются атомы, которые находяся на поверхности: они имеют только односторонние связи, поэтому их состояние неуравновешенное; они более активны, обладают избыточной или свободной энергией. Поверхность металла в реальных условиях адсорбирует атомы элементов окружающей среды, покрываясь слоями адсорбционных газов, паров воды, жиров и образуя различные окислы [1, с. 41 — 47].
В соответствии с ГОСТ 18296 — 72 методы ППД делят на статические и ударные. При статических методах обработки инструмент, рабочие тела или среда воздействуют на обрабатываемую поверхность с определенной постоянной силой Р, происходит плавное перемещение очага воздействия, который последовательно проходит всю поверхность, подлежащую обработке. При этом инерционные силы не оказывают существенного влияния на ППД. К таким видам относят различные виды выглаживания (рис. 1, а) и накатывания (рис. 1, б), а также метод однократного обжатия обрабатываемой поверхности (рис. 1, в) без перемещения очагов воздействия.
При ударных методах (рис. 1, г) инструмент, рабочие тела или среда многократно воздействуют на всю обрабатываемую поверхность или ее часть, при этом сила воздействия Р в каждом цикле изменяется от нуля или от некоторого значения Р1 до максимума, а в случае локального ударного воздействия очаг деформирования может последовательно и равномерно проходить всю обрабатываемую поверхность [6, с. 434 — 441].
Поверхностный слой при обработке деталей ППД формируется в результате сложных взаимосвязанных явлений, происходящих в очаге деформирования и прилегающих к нему зонах: многократных упругих и пластических деформаций, изменения прочностных и пластических свойств деформируемого металла, трения и тепловых процессов, изменения микро- и макроструктуры, микрогеометрии самой поверхности и др.
Основные параметры ППД следующие: упругая и пластическая деформация в очаге деформирования, площадь контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью, сила воздействия на инструмент, напряжения, возникающие под действием этой силы, и кратность приложения силы.
Как при статическом, так и при ударном воздействии на обрабатываемой поверхности в первоначальный момент образуется отпечаток от инструмента, который затем превращается в примыкающие друг к другу следы или в серию отпечатков. При нагружении твердого шара статической или ударной силой Р (рис. 2, а) он вдавливается в обрабатываемый материал: по мере увеличения силы Р вначале происходит упругая деформация поверхности, а затем пластическая (линия ОАВ, рис. 2, б). Вследствие возникших пластических деформаций обратный процесс идет по линии ВС. Остаточная пластическая деформация выражаутся в размере отпечатка d, соответствующего ОС. Пластическое деформирование под отпечатком распространяется равномерно и как бы копирует с некоторым искажением поверхность шара .
Структурные составляющие имеют различную способность к упрочнению. Для структуры мартенсита глубина наклепанной зоны больше, чем при тех же условиях для других структур. Структуры сорбита имеют наименьшую глубину наклепанного слоя (рис. 3).
Степень наклепа различных структур, оцененная по относительному приращению твердости и получения при одних и тех же условиях, показана на рис. 6. Сорбит имеет не только минимальную глубину, но и минимальную степень наклепа.
Многократное приложение одной и той же статической нагрузки при вдавливании шара в одно и то же место не приводит к заметному увеличению размеров пластического отпечатка. В отличие от статического, при ударном вдавливании шара с увеличением числа ударов до 15 — 20 размер отпечатка для различных условий обработки увеличивается в 1,25 — 1,55 раза (рис. 6).
Глубина наклепанной зоны, полученной при ударном вдавливании шара, практически равна глубине наклепанной зоны, полученной при статическом однократном вдавливании шара, при условии равенства диаметров отпечатков. Поэтому зависимости параметров от глубины наклепанного слоя для условий статического вдавливания могут быть применены для ударного нагружения.
Ударное вдавливание по сравнению со статическим в зависимости от твердости обрабатываемого материала требует в 1,7 — 2,8 раза больше энергии (рис. 7). Причина этого заключается в том, что чем больше скорость нагружения, тем меньше время протекания пластического деформирования, а следовательно, выше напряжение при котором происходит переход от упругого деформирования к пластическому.
При обработке ППД в результате деформирования поверхностного слоя металла и работы трения образуется теплота, нагревающая заготовку, инструмент и рабочие тела, а также окружающую среду. Теплота деформирования генерируется в очаге деформирования, теплота трения — на поверхности контакта. Источник теплоты — местный, характеризуемый эффективной тепловой мощностью, т.е. количеством теплоты, образующимся в единицу времени и распределением теплоты по объему. Теплота образуется в основном вследствие пластического деформирования, источник теплоты соответствует форме очага деформирования, а сам процесс характеризуется мгновенным локальным нагревом и быстрым отводом теплоты внутрь заготовки.
Так как на размеры очага деформирования влияют многие параметры, то время нагрева зависит не только от скорости, но и от давления и размеров инструмента.
Hагрев может вызывать термопластическое деформирование и другие явления, снижающие эффект упрочнения. Термопластическое деформирование приводит к резкому спаду остаточных сжимающих напряжений на поверхности, а в некоторых случаях — к превращению их в растягивающие. Могут образовываться также вторичные структуры, снижающие эксплуатационные свойства поверхности. Необходимо устанавливать также давления и скорости обработки конкретных материалов, которые не вызывают повышения температуры поверхности более допустимой.
Обработка ППД сопровождается сложными структурными и фазовыми превращениями, характерными для формирования поверхностного слоя. В первоначальный момент происходит дробление зерен металла на блоки (полигонизация) и образуется мозаичная структура. Далее вследствие усиления развития сдвигов по плоскостям скольжения образуются новые, значительно измельченные зерна. При этом кристаллиты теряют свою глобоидную форму, сплющиваются, вытягиваются в нвправлении деформирования. Резко изменяется соотношение их размеров, образуется упорядоченная ориентированная структура волокнистого характера с анизотропным механическими свойствами, когда пластичность вдоль волокон выше, чем в поперечном направлении.
Основной причиной упрочнения является лавиноподобное развитие дислокаций — дефектов кристаллической решетки металла, скапливающихся вблизи линий сдвигов, и последующее их застревание перед различного рода препятствиями, образующимися в процессе деформирования (скрещение дислокаций, траектории движения которых пересекаются между собой под некоторым углом; полосы деформирования и т.д.) или существовавшими до него (межкристаллические граничные слои, скопление атомов примесей, элементы второй фазы и т.д.), дробление на блоки объемов металла, заключенных между линиями скольжения, поворот этих блоков, искривление плоскостей скольжения, накопление на них продуктов разрушения кристаллической решетки способствуют увеличению неровностей по плоскостям скольжения, а следовательно и упрочнению.
При завышенных силовых параметрах обработки может происходить перенаклеп, в результате которого в поверхностном слое появляются опасные микротрещины, намечается образование частичек отслаивающегося металла, поверхностные зерна сплющиваются так, что становятся почти неразличимыми. Резко увеличивается шероховатость поверхности. Наклеп металла можно частично или полностью снять путем отжига. Перенаклеп — необратимый процесс, при котором нагрев металла не возвращает его структуру и физико-механические свойства [1, с. 62 — 74].
Таким образом, практическое применение универсального оборудования для поверхностно-пластической деформации дает немалый экономический эффект. Технология поверхностно пластической деформации позволяет упростить и удешевить весь процесс металлообработки.
С помощью такого оборудования можно обрабатывать большинство известных марок стали, алюминия, меди и других металлов. Обрабатываются различные конструктивные формы деталей: цилиндрические наружные и внутренние поверхности, торцевые, конические и шаровые поверхности, различные выступы, прямоугольные и радиусные канавки и т.д.
В данный момент работа над темой продолжается и будет закончена в декабре 2011 года.