обробка пластичним деформуванням.

Поверхневе пластичне деформування

Поверхневе пластичне деформування (ППД) — вид обробки з метою зміцнення матеріалів при якій відбувається пружно-пластичне деформування поверхневого шару виробу без утворення стружки.

Загальний опис

За рахунок пружно-пластичної деформації й локального нагріву, що виникають при обробленні ППД, формується напружено-деформований та фізичний стан поверхневого шару. При цьому відбувається зміна мікрогеометрії поверхні, фізико-механічних властивостей поверхневого шару оброблюваних деталей. Поверхня, оброблена методами ППД, має підвищену твердість, залишкові напруження стиску в поверхневому шарі, згладжені мікронерівності. Відповідно підвищується зносостійкість, втомна міцність, стійкість до корозійного впливу та інше.

Поширення методи ППД отримали завдяки своїй економічності й простоті реалізації. За характером прикладених навантажень методи ППД поділяють на статичні та динамічні. При обробленні статичними методами ППД деформуючий інструмент або робочі середовища впливають на поверхню оброблюваних деталей із постійним зусиллям, при цьому відбувається плавне переміщення інструмента і відповідно осередку деформації під ним по всій поверхні деталі, що підлягає обробленню. При динамічних методах ППД робочі середовища (наприклад, у вигляді сталевих полірованих кульок) впливають на поверхню оброблюваних деталей багаторазовими зіткненнями. При цьому сила зіткнень змінюється в кожному циклі від мінімального до максимального значення. Обробці може піддаватися як вся поверхня деталі одночасно, так і з переміщенням зони впливу послідовно по всій поверхні деталі, також виконують обробку її окремих ділянок при потребі місцевого зміцнення.

До статичних відносять поверхневе дорнування, вигладжування, обкатування, вібраційне накатування, вібраційне вигладжування та інші. Динамічні методи — це дробоструминна, гідродробоструминна, віброударна, ротаційна обробка, чеканка, обробка кульково-стрижневими зміцнювачами, віброконтактний наклеп, ударне накочування, ультразвукова обробка, обробка механічними щітками, віброобкочування, вібровигладжування тощо. На відміну від статичних способів, обробка деталей динамічними методами поверхневого пластичного деформування дозволяє енергетично більш вигідно впливати на матеріал деталі, обробляти фасонні профілі, забезпечуючи при цьому необхідну точність і якість поверхневого шару при високій продуктивності.

При ППД підвищення твердості залежить від структури поверхневого шару. Значне підвищення твердості може формуватися у сталей з аустенітною, феритною і мартенситною структурою, незначне — у сталей з перлітною й сорбітною структурою, які мають різну здатність до зміцнення. У м'яких сталей інтенсивність зміцнення вища. У деталей із незагартованих сталей, в результаті обробки ППД, можна отримати значне підвищення твердості, а в загартованих до 10-15 %.

Обробка методами поверхневого пластичного деформування тонкого поверхневого шару має (у порівнянні з іншими фінішними методами обробки поверхні) низку переваг:

- у поверхневому шарі виникають стискаючі залишкові напруження, відсутні концентратори напружень;

- відсутні термічні дефекти;

- у поверхневому шарі утворюється дрібнозерниста структура, зберігається цілісність металу;

- забезпечується стабільна якість поверхні;

- при збереженні вихідної форми заготовки забезпечується досягнення мінімальних висотних параметрів шорсткості поверхні деталі після обробки;

- мікронерівності набувають сприятливої форми з великою долею опорної площі на рівні вершин нерівностей, утворюються регулярні мікрорельєфи з необхідними площею й топографією заглиблень для утримання мастильного матеріалу;

- забезпечується значна товщина зміцнення поверхневого шару по всій площі деталі, при цьому межа між зміцненою і незміцненою зонами має плавний перехід.

Відновлення деталей пластичним деформуванням

Пластичне деформування - здатність деталей змінювати форму і розміри на основі перерозподілу металу під дією зовнішніх сил.

У холодному стані відновлюють деталі з низьковуглецевих сталей і кольорових металів, при цьому структура металу не змінюється, але підвищується твердість і зменшується в'язкість.

У гарячому стані, нагріваючи до температури 0,7-0,9 % від температури плавлення, відновлюють деталі з середньо- і високо вуглецевих та легованих сталей, при цьому прикладені зусилля значно зменшуються, але змінюється структура і механічні властивості металу.

Спосіб заснований на відновленні розмірів сполучених поверхонь шляхом перерозподілу металу в обсязі деталі. Спрямоване переміщення металу досягається за допомогою спеціальних пристосувань: матриць, пуансонів, оправок; при цьому прикладаються зусилля, що перевищують межу текучості матеріалу.

Один із способів отримання потрібного профілю виробів, закріплених в твердих матеріалах методом видавлювання пуансоном

Відновлення способом пластичної деформації застосовується тільки для деталей, виготовлених з пластичних матеріалів (сталь, мідь, алюміній, латунь).

Для підвищення пластичності деталі перед обробкою попередньо відпалюють. Існують основні стадії відпалу:

- відпал гомогенізувальний;

- сфероїдизувальний відпал;

- нормалізаційний відпал;

- відпал рекристалізувальний;

- відпал відпружувальний.

Рисунок 2.5.1 Фрагмент діаграми стану сплавів «залізо-вуглець» з вказанням діапазонів температур нагрівання для різних видів відпалювання сталей

Для відновлення деталей пластичним деформуванням застосовують наступні основні способи: осадка, роздача, обтиск, правка, накатка та карбування.

Рисунок 2.5.2 – Види обробки металів пластичним деформуванням: а) - прокатка; б) - пресування; в) - волочіння; г) - кування;
д) - об’ємне штампування; е) - листове штампування.

Осадку застосовують для збільшення зовнішнього діаметра або зменшення внутрішнього діаметру за рахунок зменшення висоти деталі.

Рисунок 2.5.3 Осадка заготовки: 1) модель процесу; 2) види форм заготовки: а) циліндричної- бочкоподібної; б) квадратної

Гаряча осадка прутка

Роздачою відновлюють порожні циліндричні деталі, у яких знос зовнішньої поверхні компенсується за рахунок зменшення товщини стінки.

Рисунок 2.5.4 Пластичне деформування роздачою: а) роздача втулки; б) принципова схема; в) об´ємна роздача шариком; г) об´ємна роздача оправкою

Висадка и роздача труби

Обтиск застосовують для зменшення розміру внутрішньої поверхні за рахунок зменшення розміру зовнішньої поверхні деталі.

Частина матриці, що калібрує, дозволяє зменшити внутрішній діаметр деталі на величину зносу з урахуванням припуску на розгортання до необхідного розміру. Зовнішній розмір відновлюють одним із способів нарощування. Після відновлення деталі повинні бути перевірені на відсутність тріщин.

Рисунок 2.5.5 Пластичне деформування обтиском: а) принципова схема; б) пристосування для обтиску втулок; 1 - опорна втулка; 2 - матриця; 3 - відновлювана втулка; 4 - оправка

Обтискний станок H19MM

Правкою відновлюють вали, осі, тяги, штанги, важелі, балки та інші деталі. Процес здійснюють на пресах, плитах за допомогою спеціальних пристосувань. Деталі виправляють у холодному стані або після нагрівання (при наявності в них великих деформацій).

Рисунок 2.5.6 Схема роботи правильних вальців: 1 - вихідні вальці; 2 - правлячі вальці; 3 - вхідні напрямні вальці

Правка металу

Накаткою збільшують розміри термічно необроблених поверхонь, на яких встановлюють деталі з нерухомою посадкою (шийки валів і осей та ін.) Циліндричні поверхні накочують рифленим роликом на токарному верстаті. Аналогічний результат отримують при кернуванні поверхонь. Накатану або накернену деталь шліфують під розмір, що забезпечує необхідну посадку.

Рисунок 2.5.7 Інструмент для накатки: а) рифлені ролики; б) державка для роликів

Накатка рифлення

Спосіб обробки металу тиском, при якому на заготовку наносять неглибокий рельєф сильним натисканням інструменту, що має виступи (чеканом), називається карбуванням.

Карбування полягає в усуненні дефектів (непроварів, раковин, дрібних тріщин) за рахунок пластичної деформації поверхневих шарів металу за допомогою спеціальних інструментів - чеканів. Цей спосіб ремонту застосовується переважно для усунення невеликої течій в зварних і клепаних швах теплообмінних апаратів.

Заклепувальні шви не можуть бути абсолютно непроникними, що пояснюється наявністю нерівності і шорсткості на поверхні склепаних листів, внаслідок чого у шві залишаються повітряні прошарки і канали, через які може проходити рідина або газ. Тому для абсолютної щільності і непроникності стики клепаних швів і головок ущільнюють.

Рисунок 2.5.8 Способи карбування кромки

Розглянуті способи ремонту методом пластичного деформування економічно доцільно застосовувати тільки при виправленні великих партій однакових деталей.