8.1.2. Зона деформирования при ппд

Поверхностный слой детали, упрочнённой обкаткой роликом, находится в напряжённом состоянии вследствие возникновения внутренних напряжений в результате того, что не во всём объёме металла происходит одна и та же деформация. В наружных слоях происходит пластическая деформация, а во внутренних – упругая деформация. Упруго деформированная зона металла стремится вернуть своё прежнее состояние, однако этому препятствует наружный пластически деформированный слой. В результате взаимодействия этих слоёв возникают значительные внутренние напряжения сжатия и растяжения.

Разрушение детали может начинаться с верхнего слоя или быть подслойным. В последнем случае основную роль будут играть глубина наклёпанного слоя и распределение остаточных напряжений в зоне перехода от слоя к неупрочнённой сердцевине. Эффект упрочнения растёт с увеличением глубины слоя, а также глубины проникновения остаточных сжимающих напряжений под поверхностью. При дальнейшем увеличении глубины упрочнённого слоя, не сопровождающимся увеличением твёрдости поверхности, разрушение из подслойного может перейти на поверхность. В этом случае дальнейшее увеличение глубины слоя не будет приводить к повышению эффекта упрочнения, и основную роль будут играть твёрдость и величина остаточных напряжений на поверхности.

При установлении режимов упрочнения деталей ППД за критерий предельной степени деформации часто принимают параметры отпечатка, полученного в результате статического внедрения деформирующего элемента в поверхность детали. При этом исходят из условия физического подобия между процессами статического вдавливания и упрочнения ППД, отличающегося наличием относительного тангенциального перемещения контактирующих поверхностей. Между тем в этих условиях основным показателем достижения предельной степени деформации является не общий уровень внедрения деформирующего элемента в обрабатываемую поверхность, а соотношение параметров h_s/h (рис.8.2), где h_s – высота осевой волны, h – глубина внедрения деформирующего элемента относительно исходной поверхности детали. Именно эти параметры предопределяют интенсивность и характер перераспределения по глубине упругопластических и упругих сдвиговых деформаций в поверхностном слое, являющихся основными факторами, с которыми связан процесс формирования остаточных макронапряжений.

Рис. 8.2. Схема области деформации в процессе накатывания

Как видно из типичной формы пластической деформации в осевом сечении для установившегося периода накатывания (рис. 8.2), помимо контактной зоны (a₁+a₂) пластическая деформация распространяется на внеконтактные поверхности (l₁, l₂), примыкающие к контактным поверхностям. Первая зона разделена нейтральной плоскостью I – I, наклонённой под углом φ к поверхностной оси инструмента, на участке a₁ и a₂. При переходе деформируемого сечения от одного участка к другому изменяется направление течения материала поверхностного слоя. Слева от сечения I – I он смещается в направлении движения подачи S (первичная деформация), а справа – противоположно этому направлению (вторичная деформация).

В результате вытеснения и сдвига материала из зоны a₁ формируется волна высотой h_s и передняя внеконтактная зона деформации l₁, приподнимающаяся за счёт выпучивания относительно исходной поверхности А. В противоположность этому вторичные зоны деформации (a₂, l₂) первоначально опущены относительно обработанной поверхности D на h₁ и h₂ соответственно. При вторичном сдвиге и выпучивании материала поверхностного слоя последние зоны приподнимаются, что приводит к постепенному выравниванию до уровня обработанной поверхности. Таким образом, за период прохождения от точки D до точки А каждая частица материала испытывает разнородную и многократную деформацию в связи с тем, что значение S, как правило, более чем на порядок меньше общей длины области деформации. При этом за каждый оборот в область деформации вовлекается новый участок и заканчивается формообразование очередного участка обработанной поверхности.

По мере увеличения усилия упрочнения Р высота h_s волны увеличивается быстрее, чем глубина h внедрения. Обусловлено это ростом уровня сдвиговой деформации и интенсификацией накопления материала в зоне волны. При увеличении соотношения h_s/h дополнительные затраты работы концентрируются в основном на деформации материала, сосредоточенного в зоне волны. Это, с одной стороны, приводит к снижению интенсивности и темпа прироста глубины распространения упругопластических деформаций, а с другой может вызвать чрезмерную интенсификацию вторичных деформаций и неблагоприятное перераспределение остаточных макронапряжений с соответствующим снижением эффективности упрочнения деталей машин.

В общем виде отношение h_s/h характеризует накопленную величину обжатия деформируемого материала в зоне контакта и соотношение площадей зон волны h_s и углубления h, показывающего уровень избыточного материала в составе волны. Условия сдвига избыточного материала в сочетании со степенью его деформации предопределяют качественные показатели поверхностного слоя.

На значение отношения h_s/h оказывают содействие многочисленные факторы процесса упрочнения, которые можно объединить в три группы. Первая из них включает режимные параметры процесса упрочнения: усилие Р, взаимосвязанное с размерами, формой и положением оси деформирующего элемента относительно обрабатываемой поверхности, а также подачу, скорость обработки и др. Вторая группа отражает влияние на параметры области деформации свойств материала детали и инструмента: исходные физико-механические и адгезионные свойства, их изменение в период обработки. Третья группа включает факторы, предопределяющие условия трения в зоне локального контакта: кинематические условия взаимодействия контактирующих тел, исходное и преобразованное в период обработки состояние контактирующих поверхностей.