Технологическое повышение долговечности изделий машиностроения

Есаулкова А. В.

М-107

 

Технологическое повышение  долговечности изделий машиностроения

1. Обработка пластическим  деформированием

 

Способность детали к пластической деформации зависит от свойств металла, температуры нагрева, скорости и  способа деформации. Металл легче деформируется сжатием и поэтому следует стремиться избегать растягивающих напряжений или сводить их к минимуму.

 

Свойства металла определяются его химическим составом и структурой. Неоднородность структуры металла  и неравномерность примесей приводят к снижению пластичности. Влияние оказывает и величина зерна металла: чем она меньше, тем металл прочнее и ниже его пластичность.

 

Большое влияние оказывает температура  нагрева детали. При деформации холодной детали требуются значительно большие  усилия, чем при деформации нагретой. Нагрев детали до температуры ковки уменьшает усилия на пластическую деформацию в 10— 15 раз. Однако при нагреве детали, особенно длительном, необходимо принимать меры, предупреждающие окисление и обезуглероживание поверхностных слоев металла. Нагревать надо только участок, подлежащий деформации. Деформация в горячем состоянии позволяет избежать значительных изменений физико-механических свойств металла, возникающих при деформации без нагрева.

 

Без нагрева рекомендуется восстанавливать пластической деформацией детали из цветных металлов, а также стальные, термически не обработанные детали с содержанием углерода до 0,3 %. Стальные детали с большим содержанием углерода, а также с легирующими присадками перед восстановлением необходимо нагревать до температуры, достаточной для деформирования детали на требуемую величину (для углеродистых сталей 350—700° С). После горячего деформирования детали необходимо подвергнуть термической обработке.

 

Технологический процесс восстановления деталей пластическим деформированием состоит из подготовки детали, деформирования, обработки после деформирования. Подготовка заключается в термической обработке (отжиг или высокий отпуск — при холодном де­формировании, нагрев — при горячем). Обработка после деформирования сводится к повторной термообработке и механической обработке до требуемых размеров.

 

К положительным качествам пластического  деформирования следует отнести  простоту и доступность выполнения в любых производственных условиях, незначительную трудоемкость и низкую стоимость восстановления.

 

К пластическому деформированию относят  следующие виды обработки: правка, осадка, вытяжка, раздача, обжатие и накатка.

 

Правку применяют для восстановления первоначальной формы деталей, имеющих  остаточный изгиб и скручивание,— валов, осей, кронштейнов, рычагов, а также коробление металлоконструкций машин — рам, балок, рукоятей, стрел и т. п. При правке направление внешней действующей силы или крутящего момента совпадает с направлением требуемой деформации. Правку можно выполнять статическим нагружением или наклепом. В первом случае деталь правят прессами, домкратами, специальными приспособлениями (без нагрева или с нагревом). При холодной правке в деталях возникают значительные остаточные напряжения, которые могут в последующем привести к деформации. Рекомендуется для сглаживания этих напряжений деталь подвергнуть термической обработке — отпуску. При значительных деформациях детали правят с нагревом, после чего возникшие внутренние напряжения снимают термической обработкой. При горячей правке деталь нагревают до температуры ковки, после чего под прессом, молотом или ударами ручного молотка устраняют изгиб. После правки тщательно проверяют — не появились ли в детали трещины.

 

Наклеп осуществляют пневматическими  молотками с закругленным бойком. Этот способ не имеет недостатков, возникающих при статическом нагружении, высоко производителен и точен, не снижает усталостной прочности деталей. Он применим для валов небольших диаметров, в частности для коленчатых валов.

 

Осадку применяют в случаях, когда надо уменьшить внутренний диаметр полых деталей (втулки), а также для увеличения наружного диаметра сплошных деталей за счет уменьшения их длины.Втулки из цветных металлов осаживают в приспособлении. Эту операцию можно выполнять и без выпрессовки детали. При осадке направление действующей силы Р не совпадает с направлением действующей деформации δД.

 

Вытяжку  используют при необходимости  восстановления длины детали. Она  заключается в увеличении длины  за счет местного уменьшения диаметра. Ее рекомендуется проводить в холодном состоянии.

 

Раздача предназначена  для восстановления наружного диаметра полых деталей за счет некоторого уменьшения толщины стенки и незначительного  уменьшения высоты детали. Этот способ применяют для ремонта поршневых пальцев двигателей, труб, полуосей, шкворней автомобилей и других деталей. При раздаче направления внешней силы и требуемой деформации совпадают.

 

При обжатии  внутренний диаметр детали уменьшается  за счет уменьшения наружного диаметра, обжимаемого в матрице. Этим способом восстанавливают с нагревом и без нагрева втулки из цветных металлов, проушины рычагов, сепараторы роликовых подшипников, проушины траков гусениц и т. п. Для получения необходимого внутреннего диаметра деталь обрабатывают разверткой. При обжатии направления действующей силы и деформации совпадают.

 

Накатку применяют  для увеличения наружных и уменьшения внутренних диаметров деталей за счет вытеснения металла из отдельных  участков рабочих поверхностей. Направление  действующей силы Р противоположно требуемой деформации δд. Накаткой главным образом восстанавливают посадочные места под подшипники качения. Ее рекомендуется применять только для деталей, работающих в легких условиях (давление до 7 МПа). Сущность способа состоит в том, что поверхность детали деформируют специальным инструментом — рифленым роликом, укрепленным в державке на суппорте токарного станка. При этом металл от давле­ния ролика вытесняется в промежутки между рифлениями, образует выступы и увеличивает тем самым наружный диаметр детали разует выступы и увеличивает тем самым наружный диаметр детали на 0,1—0,2 мм на сторону. Детали, имеющие твердость HRC<30, шинного масла. Качество посадки при восстановлении накаткой снижается, так как детали соприкасаются только выступами на валу, образованными накаткой. Для улучшения посадки надо делать более глубокую накатку, и затем этот участок шлифовать или накатывать гладким роликом.

 

Упрочняют детали пластическим деформированием  или механической обработкой поверхностного слоя, вследствие чего уменьшается шероховатость поверхности, а поверхностный слой упрочняется. Такая обработка повышает усталостную прочность, увели­чивает износостойкость, сокращает время приработки деталей, повышает качество прессовых соединений и коррозионную устойчивость. Для этого применяют дробеструйную обработку, обкатку, дорнирование, чеканку, гидроабразивную обработку, алмазное выглаживание.

 

Поверхностное упрочнение деталей путем дробеструйной  обработки и обкатки применяют  на ремонтных предприятиях благодаря значительному повышению предела усталости деталей, а также простоте и экономичности.

 

Дробеструйная обработка заключается  в том, что деталь после механической и термической обработки подвергают наклепу. Для этого на нее воздействуют непрерывным потоком стальной или чугунной дроби диаметром от 0,4 до 2 мм, направляемой на поверхность детали со скоростью 50—70 м/с. Ударяясь о поверхность детали, поток дроби производит наклеп, изменяя прочностные свойства поверхностных слоев металла: возникают внутренние сжимающие напряжения, повышается твердость, прочность и износостойкость деталей, увеличивается предел усталости (у деталей с концентраторами напряжений — на 40—60 %).

 

Дробеструйной обработке обычно подвергают детали строительных машин, работающих в условиях переменных нагрузок (изгиба и кручения): валы, зубчатые колеса, щеки камнедробилки, рессоры, пружины и т. п. После наклепа дробью долговечность увеличивается: у зубчатых колес в 5—6 раз, у коленчатых валов двигателей в 10—12 раз, у рессор — в 12 раз, у сварных соединений — в 2,5—3 раза. Путем дробеструйного наклепа можно получить поверхность до 7-го класса чистоты.

 

Глубина наклепанного слоя не превышает 1 мм. Она зависит от продолжительности обработки (от 5—10 с до 2—3 мин), силы удара, размера и угла падения дроби (наибольший наклеп полу­чается при угле атаки 70—90°). Наиболее эффективные результаты получают при обработке стальной дробью. Ее расход в 30—60 раз меньше, чем чугунной, а скорость в 1,5—2 раза выше. Увеличение скорости дроби (но не более чем до 60 м/с) заметно влияет на повышение предела усталости.

 

Оборудованием для дробеструйной  обработки служат пневматические и  механические (роторные) дробеметы. Пневматические установки работают от сжатого воздуха с давлением 0,4—0,6 МПа по принципу пескоструйных аппаратов для очистки деталей. Наиболее распространены механические дробеметы благодаря высокой производительности, возможности регулирования интенсивности процесса, незначительным затратам энергии.

 

Обкатка является эффективным средством  повышения предела усталости  и износостойкости деталей, имеющих  форму тел вращения: гидроцилиндры, гильзы, штоки, оси, поршни, клапаны  двигателей и т. п. В процессе обкатки  инструмент — свободно вращающийся ролик (шарик) снимает выступы микронеровностей на поверхности детали, что повышает чистоту поверхности (за 2 прохода до 8-го — 9-го классов) и одновременно упрочняет ее.

 

Деталь вращается в токарном станке, а инструмент закрепляют в  установленном на суппорте станка пружинном, гидравлическом или пневматическом приспособлении, при помощи которого создается необходимое давление на него. Для упрочнения стальных деталей твердостью НВ 192—268 давление на ролик может быть определено из выражения Р= 50 + 0,17d2,где d— диаметр обрабатываемой поверхности. Ролики (шарики) используют стандартные или специальной формы, например, имеющие рабочую поверхность в виде круглого тороида . Его устанавливают по отношению к обрабатываемой детали под определенным наклоном к горизонтальной (10°) и вертикальной (7—9°) плоскости, при этом ось вращения ролика смещается относительно линии центров станка. При такой установке ролик обкатывается по поверхности детали с проскальзыванием, в результате чего происходит одновременное упрочнение и повышение чистоты обработки (до 9-го класса). Торцовый ролик напаивают пластинкой твердого сплава из Т15К6. Для обработки внутренних поверхностей (например, гидроцилиндров) применяют раскатки, действие которых основано на том же принципе, что и обкатка роликами.

 

Дорнирование применяют для  повышения износостойкости и  усталостной прочности. Процесс  заключается в том, что инструмент—  дорн (шарик) протягивается или продавливается через отверстие, диаметр которого несколько меньше диаметра инструмента. В результате поверхностный слой металла в отверстии упрочняется, шероховатость уменьшается, а диаметр отверстия несколько увеличивается. Хорошие результаты дает дорнирование мелких отверстий. Оно выполняется на прессе, оборудованном специальным приспособлением для установки детали и проталкивания шарика.

 

Чеканку применяют для местного наклепа участков поверхности с  высокой концентрацией напряжений (галтели, места выхода отверстий, шлицев и т. п.). Осуществляют ее путем ударного взаимодействия на упрочняемую поверхность пневматическими чеканочными приспособлениями (по типу пневматического молотка) с вибрирующим бойком-роликом. Усталостная прочность повышается на 40—50 %.

 

Алмазное выглаживание способствует упрочнению поверхности детали, повышению  его микротвердости и предела усталости. Сущность процесса: поверхность детали подвергается воздействию алмазного наконечника, который своим давлением снимает гребни мик­ронеровностей на поверхности вращающейся детали, заполняет металлом впадины, что приводит к уменьшению шероховатости.

 

Алмазный инструмент представляет собой полированный сферический  алмаз (радиус 0,5—4 мм), закрепленный в  металлической державке. В нее  вмонтирована пружина, обеспечивающая усилие нажатия на алмаз.

 

Выглаживание  выполняется в следующем порядке. Обрабатываемую деталь закрепляют на токарном станке, а алмазный инструмент — в суппорте станка. Режимы обработки зависят от материала и твердости детали. Так, для закаленных сталей 45, 40Х, 18ХГТ и т. п. сила нажатия инструмента 0,18—0,25 кН, подача 0,02—0,05 мм/об, скорость 40—120 м/мин. При этом класс чистоты поверхности повышается на две единицы, а твердость увеличивается на 20—30 %. Алмазному выглаживанию можно подвергать детали из стали и сплавов цветных металлов.

 

Электромеханическая обработка (ЭМО) может быть отнесена к способам восстановления деталей пластическим деформированием. Сущность способа состоит в том, что благодаря воздействию - инструмента на нагретую деталь происходит пластическая деформация, вследствие которой металл поверхностного слоя детали перераспределяется (высадка с последующим сглаживанием).

 

Изношенную  деталь устанавливают в токарно-винторезном  станке. Инструмент из твердых сплавов  ВК или ТК закрепляют в резцедержателе станка. К детали и инструменту  подводят электрический ток, который используется для местного нагрева детали. Электромеханическую высадку осуществляют инструментом с усилием 0,6—0,8 кН, ток 400—1000 А при напряжении 2—6 В. Требуемый размер детали достигается сглаживанием выступов, образовавшихся после высадки, пластинкой толщиной 6—8 мм. Ее также устанавливают в резцедержателе станка.

 

При контакте инструмента с деталью участок  высокотемпературного нагрева очень  мал по сравнению со всей деталью, поэтому в результате интенсивного отвода тепла во внутреннюю часть детали ее поверхностный слой охлаждается с высокой скоростью и закаляется на глубину 0,1—0,15 мм. Таким образом, одновременно с восстановлением размеров детали происходит ее упрочнение. Способ ЭМО рекомендуется применять для восстановления поса­дочных поверхностей под подшипники качения при износе до 0,4 мм. В случае более значительного износа и необходимости получения гладкой поверхности целесообразно способ ЭМО дополнить приваркой стальной проволоки в высаженную спиральную канавку, а затем произвести механическую обработку. Твердость поверхности будет зависеть от марки проволоки. Способ ЭМО можно применять для восстановления как стальных, так и бронзовых деталей.