Актуальним завданням сучасного машинобудування є забезпечення довговічності деталей машин, яка в істотній мірі визначається якісним станом поверхневого шару. Саме від якості обробки багато в чому залежать найважливіші показники механізмів — працездатність, надійність, металоємність, собівартість і інші технічні і техніко-економічні характеристики.
Працездатність деталей машин залежить від якості обробки деталей, що входять, стану їх поверхневого шару, який напрямлено формується на фінішних операціях технологічного процесу виготовлення.
Поверхня і поверхневий шар деталі з точки зору міцності є ослабленими. Головною причиною цього є те, що атоми на поверхні мають стійкі зв'язки тільки з сусідніми і пролягаючими нижче атомами, і їх стан є неурівноваженим, нестійким.
Розроблений ряд методів, що дозволяють поліпшити стан поверхневого шару, зокрема, велике поширення отримали методи поверхневої пластичної деформації(ППД). ППД — це обробка деталей тиском (без зняття стружки), при якій пластично деформується тільки їх поверхневий шар. ППД здійснюється інструментом, деформуючі елементи якого (кульки, ролики або тіла іншої конфігурації) взаємодіють з оброблюваною поверхнею за схемами кочення або ковзання. При ППД в результаті деформаційного зміцнення поверхневого шару, в нім виникає стискуюча залишкова напруга, згладжування нерівностей і поліпшення їх профілю, підвищується міцність деталей при змінних навантаженнях в 1,5 — 2,5 разу, а довговічність в 5 — 10 разів і більше.
Нині проводиться велика кількість досліджень по знаходженню оптимальної системи параметрів якості поверхонь деталей машин, яка б якнайповніше відображала їх експлуатаційні властивості
Зусиллями багатьох учених внесений значний внесок у розвиток теорії поверхнево пластичної деформації. Серед яких Азаревич Г. М., Алексєєв П. Г., Браславський В. М., Дрізд М. С., Жасимов М. М., Зайдес А. В., Ілюшин А. А., Ішинский А. Ю., Кудрявцев И. В., Маталін А. А., Папшев Д. Д., Рижов Э. В., Сидякін Ю. И., Смелянський В. М., Суслов А. Г., Шнейдер Ю. С., Ярославцев В. М., Юдін Д. Л. та ін.
Мета роботи — підвищення продуктивності праці і зниження собівартості виготовлення деталі за рахунок застосування методів ППД.
Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні завдання:
При виготовленні і експлуатації деталей машин на їх поверхнях утворюються нерівності і мікронерівності, а шар металу, безпосередньо прилеглий до поверхні, змінює структуру, фазовий і хімічний склад, в нім виникає залишкова напруга.
Шар металу, що має відмінні від основної маси деталі структуру, фазовий і хімічний склад, називають поверхневим.
В умовах експлуатації поверхневий шар піддається найбільш сильній фізико-хімічній дії, тому до поверхневого шару пред'являються зазвичай більш високі вимоги, ніж до основної маси деталі.
Фізико-механічні властивості змінюються при виготовленні деталей, а потім — під час експлуатації під дією силових, температурних і інших чинників.
Поверхня твердого тіла в порівнянні з його внутрішньою частиною має ряд особливостей. Будь-який атом, розташований усередині твердого тіла з ідеальною кристалічною решіткою знаходиться в стані рухливої стійкої рівноваги, оскільки для нього по усіх напрямах інтенсивність осоловілого поля однакова. У іншому положенні опиняються атоми, які находяся на поверхні : вони мають тільки односторонні зв'язки, тому їх стан неурівноважений; вони активніші, мають надмірну або вільну енергію. Поверхня металу в реальних умовах адсорбує атоми елементів довкілля, покриваючись шарами адсорбційних газів, пари води, жирів і утворюючи різні оксиди [1, с. 41 — 47].
Відповідно до ГОСТ 18296-72 методи ППД ділять на статичні і ударні. При статичних методах обробки інструмент, робочі тіла або середовище впливають на оброблювану поверхню з певною постійною силою Р, відбувається плавне переміщення вогнища дії, яке послідовно проходить усю поверхню, що підлягає обробці. При цьому інерційні сили не роблять істотного впливу на ППД. До таких видів відносять різні види обкатування (рис. 1, а) і накатування (рис. 1, б), а також метод одноразового обтискання оброблюваної поверхні (рис. 1, в).
При ударних методах (рис. 1, г) інструмент, робочі тіла або середовище багаторазово впливають на усю оброблювану поверхню або її частину, при цьому сила дії Р в кожному циклі змінюється від нуля або від деякого значення Р1 до максимуму, а у разі локальної ударної дії вогнище деформації може послідовно і рівномірно проходити усю оброблювану поверхню [6, с. 434 — 441].
Поверхневий шар при обробці деталей ППД формується в результаті складних взаємозв'язаних явищ, що відбуваються у вогнищі деформації і прилеглих до нього зонах : багатократних пружних і пластичних деформацій, зміни пластичних властивостей металу, що деформується, тертя і теплових процесів, зміни мікро- і макроструктури, мікрогеометрія самої поверхні та ін.
Основні параметри ППД наступні: пружна і пластична деформація у вогнищі деформації, площа контакту інструменту з оброблюваною поверхнею, сила дії на інструмент, напругу, що виникають під дією цієї сили, і кратність додатка сили.
Як при статичній, так і при ударній дії на оброблюваній поверхні в первинний момент утворюється відбиток від інструменту, який потім перетворюється на сліди, що примикають один до одного, або в серію відбитків. При вантаженні твердої кулі статичною або ударною силою Р (рис. 2, а) він вдавлюється в оброблюваний матеріал: у міру збільшення сили Р спочатку відбувається пружна деформація поверхні, а потім пластична (лінія ОАВ, рис. 2, б). Внаслідок виниклих пластичних деформацій зворотний процес йде по лінії ВС. Залишкова пластична деформація виражена у розмірі відбитку d, що відповідає ОС. Пластична деформація під відбитком поширюється рівномірно і як би копіює з деяким спотворенням поверхню кулі.
Структурні складові мають різну здатність до зміцнення. Для структури мартенсіту глибина наклепаної зони більша, ніж за тих же умов для інших структур. Структури сорбіту мають найменшу глибину наклепаного шару (рис. 3).
Міра наклепу різних структур, оцінена по відносному приросту твердості (?HV/HV)х100 і отримання за одних і тих же умов, показана на рис. 5. Сорбіт має не лише мінімальну глибину, але і мінімальну міру наклепу.
Багатократний додаток одного і того ж статичного навантаження при втискуванні кулі в одне і те ж місце не призводить до помітного збільшення розмірів пластичного відбитку. На відміну від статичного, при ударному втискуванні кулі зі збільшенням числа ударів до 15 — 20 розмір відбитку для різних умов обробки збільшується в 1,25 — 1,55 разу (рис. 6).
Глибина наклепаної зони, отриманої при ударному втискуванні кулі, практично дорівнює глибині наклепаної зони, отриманої при статичному одноразовому втискуванні кулі, за умови рівності діаметрів відбитків. Тому залежності параметрів від глибини наклепаного шару для умов статичного втискування можуть бути застосовані для ударного вантаження.
Ударне втискування в порівнянні із статичним залежно від твердості оброблюваного матеріалу вимагає в 1,7 — 2,8 разу більше енергії (рис. 7). Причина цього полягає в тому, що чим більше швидкості вантаження, тим менше часу протікання пластичної деформації, а отже, вище напруга при якому відбувається перехід від пружної деформації до пластичної.
При обробці ППД в результаті деформації поверхневого шару металу і роботи тертя утворюється теплота, що нагріває заготовку, інструмент і робочі тіла, а також довкілля. Теплота деформації генерується у вогнищі деформації, теплота тертя — на поверхні контакту. Джерело теплоти — місцеве, таке, що характеризується ефективною тепловою потужністю, тобто кількістю теплоти, що утворюється в одиницю часу і розподілом теплоти за об'ємом. Теплота утворюється в основному внаслідок пластичної деформації, джерело теплоти відповідає формі вогнища деформації, а сам процес характеризується миттєвим локальним нагрівом і швидким відведенням теплоти всередину заготівлі.
Оскільки на розміри вогнища деформації впливають багато параметрів, той час нагріву залежить не лише від швидкості, але і від тиску і розмірів інструменту.
Нагрів в зоні обробки може викликати термопластичну деформацію і інші явища, що знижують ефект зміцнення. Термопластична деформація призводить до різкого спаду залишкової стискуючої напруги на поверхні, а в деяких випадках — до перетворення їх на ті, що розтягують. Можуть утворюватися також вторинні структури, що знижують експлуатаційні властивості поверхні. Необхідно встановлювати також тиски і швидкості обробки конкретних матеріалів, які не викликають підвищення температури поверхні більше допустимої.
Обробка ППД супроводжується складними структурними і фазовими перетвореннями, характерними для формування поверхневого шару. У первинний момент відбувається дроблення зерен металу на блоки (полігонизация) і утворюється мозаїчна структура. Далі внаслідок посилення розвитку зрушень по площинах ковзання утворюються нові, значно подрібнені зерна. При цьому кристаліти втрачають свою глобоідну форму, сплющуються, витягуються в напрямку деформації. Різко змінюється співвідношення їх розмірів, утворюється впорядкована орієнтована структура волокнистого характеру з анізотропним механічними властивостями, коли пластичність уздовж волокон вища, ніж в поперечному напрямі.
Головною причиною зміцнення є лавиноподібний розвиток дислокацій — дефектів кристалічної решітки металу, ліній зрушень, що скупчуються, дроблення на блоки об'ємів металу, ув'язнених між лініями ковзання, поворот цих блоків, викривлення площин ковзання, накопичення на них продуктів руйнування кристалічної решітки сприяють збільшенню нерівностей по площинах ковзання, а отже і зміцненню.
При завищених силових параметрах обробки може відбуватися перенаклеп, в результаті якого в поверхневому шарі з'являються небезпечні мікротріщини, намічається утворення частинок металу, що відшаровується, поверхневі зерна сплющуються так, що стають майже невиразними. Різко збільшується шорсткість поверхні. Наклеп металу можна частково або повністю зняти шляхом відпалу. Перенаклеп — безповоротний процес, при якому нагрів металу не повертає його структуру і фізико-механічні властивості [1, с. 62 - 74].
Таким чином, практичне застосування універсального устаткування для поверхнево-пластичної деформації дає чималий економічний ефект. Технологія поверхнево пластичній деформації дозволяє спростити і здешевити увесь процес металообробки.
За допомогою такого устаткування можна обробляти більшість відомих марок сталі, алюмінію, міді і інших металів. Обробляються різні конструктивні форми деталей: циліндричні зовнішні і внутрішні поверхні, торцеві, конічні і кульові поверхні, різні виступи, прямокутні і радіуси канавки і так далі.
В даний момент робота над темою триває і буде закінчена в грудні 2011 року.