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, 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, равную глубине распространения ОД. Размеры ОД зависят от технологических факторов обработки - силы Р, формы и размеров ДЭ, подачи, твердости обрабатываемого материала и др.

Схема обработки детали по схеме качение

В соответствии с ГОСТ 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. Недостатком выглаживания является низкая производительность и невысокая стойкость инструмента.

Дорнование - это деформирующее протягивание, калибрование, применяется для обработки отверстий. 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

Схема обработки детали алмазным выглаживанием.

Дорнование.

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. 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.

.Схема обработки ППД при ударном воздействии инструмента.

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 Дробеструйная обработка детали

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

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

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).

Упрощенная схема поля напряжения

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.

Определение подачи S/z

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 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.

Схема инициирования скольжения (или двойникования) в соседнем зерне поликристалла некоторой точке А, удаленной от вершины плоского нагромождения дислокаций р на расстояние r1

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.