Глава 1. Методы упрочнения поверхностным пластическим деформированием
Технологическим проблемам формирования поверхностного слоя деталей машин, обеспечивающего заданные эксплуатационные свойства, посвящено достаточно много работ. Так, например вопросы получения оптимальной системы параметров качества поверхности деталей машин, которая бы наиболее полно отражала их эксплуатационные свойства, отражены в исследованиях А. И. Исаева, А. А. Маталина, Э. В. Рыжова, В. Ф. Безъязычного, П. И. Ящерицина, А. Г. Суслова, В. С. Мухина и других авторов. Продолжаются также исследования в области анализа факторов, влияющих на параметры поверхностного слоя деталей машин, а также взаимосвязи между этими параметрами при различных методах обработки для управления качеством поверхности.
Качество изготовления деталей машин во многом зависит от метода их финишной обработки, так как именно на этой стадии формируется поверхностный слой детали, определяющий основные эксплуатационные свойства. Использование методов обработки, основанных на эффектах резания, зачастую наряду с обеспечением высокого уровня шероховатости могут приводить и к ухудшению эксплуатационных свойств деталей (рис. 1.1).
Для повышения эксплуатационных свойств деталей машин нашли широкое применение методы поверхностного пластического деформирования (ППД). Упрочнение поверхностного слоя является следствием упруго-пластического деформирования, возникающего при механическом воздействии на металл.
Существует много методов упрочнения поверхностным деформированием, основанных на статическом и динамическом воздействиях на поверхностный слой, вызывающих в нем пластическую деформацию. В процессе упрочнения поверхностного слоя (без значительного его разогрева при механическом воздействии) обычно не происходят химические превращения, а имеет место дробление и изменение ориентации блоков и зерен, увеличение числа дефектов субструктуры.
Поверхностное упрочнение – одно из старейших технологических направлений повышения сопротивления усталости деталей, нашедшее широкое применение во многих отраслях машиностроения. Большие заслуги в разработке и развитии этого направления принадлежат И. В. Кудрявцеву, И. А. Одингу, С. В. Серенсену и другим ученым.
Рис. 1.1. Лопатки ГТД компрессора с эксплуатационными дефектами [www.swri.org]
В общем случае в задачи технологии, обеспечивающей повышение эксплуатационных свойств деталей, входит:
а) получение материалов и заготовки заданных свойств;
б) изготовление детали требуемой формы и надлежащей точности;
в) упрочнение рабочих поверхностей деталей;
г) их сборка в агрегаты, испытание узлов и машин.
Пути технологического обеспечения качества поверхностного слоя и долговечности деталей машин упрочнением показаны на рис. 1.2. Традиционным является подход, устанавливающий связь режима обработки с эксплуатационными свойствами упрочняемой детали (1-5). Недостаток такого подхода в том, что выявленные закономерности не являются справедливыми для других условий. Поэтому при переходе к новому изделию возникает необходимость в повторении трудоемких исследований.
Более обобщенным является обеспечение долговечности детали в две стадии:
На первой (путь 1-3) устанавливается связь технологических факторов с параметрами состояния поверхностного слоя.
На второй (3-5) – влияние этих параметров на эксплуатационные характеристики деталей.
Однако оба подхода имеют основной недостаток – эмпирический путь решения задачи, что предполагает наличие экспериментов, повышающих трудоемкость исследований, при ограничении числа исследований параметров состояния поверхностного слоя и невысокой точности (в пределах точности метода измерения) и определения этих параметров.
Рис. 1.2. Схема вариантов технологического обеспечения качества поверхностного слоя обработкой ППД
Кроме того, эмпирический путь не позволяет использовать ЭВМ для моделирования и технологического проектирования механической обработки деталей с оптимизацией параметров состояния их поверхностного слоя, обеспечивающих заданную долговечность.
Более эффективен подход к технологическому обеспечению эксплуатационных показателей деталей, который базируется на внутренних закономерностях процесса формирования поверхностного слоя в очаге деформации (пути 1-2 и 2-3). Раскрытие таких закономерностей позволит глубже определить влияние параметров состояния поверхностного слоя на процесс разрушения детали (3-4) и эксплуатационные показатели (4-5).
Повышение сопротивления детали разрушению при различных видах эксплуатационного нагружения может быть достигнуто технологическими методами объемного или поверхностного упрочнения. Объемное упрочнение повышает статическую прочность деталей, у которых рабочие напряжения распределены по сечению более или менее равномерно. Для таких деталей используют высокопрочные стали и сплавы, композиционные материалы. Однако большинство деталей работает в условиях, при которых эксплуатационная нагрузка (давление, нагрев, действие окружающей среды и т.п.) воспринимается главным образом их поверхностным слоем. Поэтому износостойкость, зарождение и развитие усталостной трещины, возникновение очагов коррозии зависит от сопротивления поверхностного слоя разрушению. Для деталей, разрушение которых начинается с поверхности, разработано большое количество методов поверхностного упрочнения, основанных на нанесении покрытий или изменении состояния (модификации) поверхности.
Как показывает практика эксплуатации машин, не существует универсального метода упрочнения деталей, т.к. один и тот же метод в одних условиях эксплуатации может дать положительный эффект, а в других отрицательный. Поэтому в ряде случаев применяют комбинированное упрочнение деталей, основанное на использовании двух или трех методов упрочнения, каждый из которых позволяет усилить то или иное эксплуатационное качество.
Кроме того, выбор того или иного метода поверхностного упрочнения определяется экономическими соображениями.
Все известные методы упрочнения подразделяются на 6 основных классов, которые связаны:
1) с образованием пленки на поверхности;
2) изменением химического состава поверхностного слоя;
3) изменением структуры поверхностного слоя;
4) изменением энергетического запаса поверхностного слоя;
5) изменением микрогеометрии поверхности и наклепом;
6) изменением структуры по всему объему материала.
Упрочнение с созданием пленки на поверхности реализуется следующими методами:
а) с использованием химической реакции (оксидирование, сульфидирование, фосфатирование, нанесение упрочняющего смазочного материала, осаждение из газовой фазы);
б) осаждением паров наносимых материалов (термическое испарение тугоплавких соединений, катодно-ионная бомбардировка, прямое электронно-лучевое испарение, реактивное электронно-лучевое испарение, электронно-химическое испарение);
в) электролитическим осаждением материалов, образующих покрытие (хромирование, никелирование, электрофорез, никельфосфатирование, борирование, борохромирование, хромофосфатирование);
г) напылением износостойких соединений (плазменное напыление порошковых материалов, детонационное напыление, электродуговое напыление, лазерное напыление, вихревое напыление, индукционное припекание порошковых материалов).
Упрочнение с изменением химического состава поверхностного слоя металла достигается путем:
а) диффузионного насыщения (борирование, цианирование, азотирование, нитроцементация и т.п.);
б) химического и физико-химического воздействие (химическая обработка, ионная имплантация, электроискровая обработка и т.д.).
Упрочнение с изменением структуры поверхностного слоя реализуется путем:
а) физико-термической обработки (лазерная закалка, плазменная закалка);
б) электрофизической обработки (электроконтактная, электроэрозионная, магнитная обработка);
в) механической обработки (упрочнение вибрацией, фрикционно-упрочняющая обработка, дробеструйная, обработка взрывом, термомеханическая, электромеханическая);
г) наплавкой легирующими элементами (газовым пламенем, электрической дугой, плазмой, лазерным лучом, пучком ионов и т.д.).
Упрочнение с изменением энергетического запаса поверхностного слоя обеспечивается за счет:
а) обработки в магнитном поле (термомагнитная обработка, импульсным магнитным полем, магнитным полем);
б) обработки в электрическом поле.
Упрочнение с изменением микрогеометрии поверхности и наклепом достигается за счет:
а) обработки резанием (точение, шлифование, сверхскоростное резание);
б) пластического деформирования (накатывание, обкатывание, раскатывание, выглаживание, вибронакатывание, вибровыглаживание, калибрование, центробежно-ударное упрочнение, виброударное и т.д.);
в) комбинированных методов обработки (анодно-механическая, поверхностное легирование с выглаживанием, резание с воздействием ультразвуковых колебаний, магнитно-абразивная обработка и т.д.).
Упрочнение с изменением структуры всего объема металла обеспечивается путем:
а) термообработки при положительных температурах (закалка, отпуск, улучшение, закалка ТВЧ, нормализация, термомагнитная обработка);
б) криогенной обработкой (закалка с обработкой холодом, термоциклирование).
Упрочнение металла в незакаленной стали, как правило, происходит за счет структурных изменений и изменений структурных несовершенств, дроблением блоков и наведением микронапряжений. При упрочнении закаленных сталей, кроме этого, наблюдается частичное превращение остаточного аустенита в мартенсит и выделение дисперсных карбидных частиц.
Поверхностная деформация приводит к образованию сдвигов в зернах, упругому искажению кристаллической решетки, изменению формы и размеров зерен. Интенсивность наклепа (упрочнения) тем выше, чем мягче сталь. На незакаленных сталях увеличение твердости составляет более 100%, на закаленных 10–20%, при глубине упрочненного слоя до 12 и более мм.
К современным методам ППД относятся накатывание, обкатывание, раскатывание, выглаживание, виброобработка, динамическое упрочнение различных поверхностей деталей машин.
Накатывание, обкатывание и раскатывание осуществляют специальным инструментом, рабочими элементами которого являются шарики или ролики от подшипников или специально изготовленные. При давлении рабочего элемента на обрабатываемую поверхность детали происходит ее локальное пластическое деформирование в месте контакта. Наличие различных вращательных и поступательных движений позволяет обрабатывать различные поверхности (плоские, цилиндрические, фасонные). Обработку ведут на универсальных и специальных станках, станках с ЧПУ, полуавтоматах и автоматах.
Выглаживание производят инструментом, рабочим элементом которого является твердосплавный или алмазный индентор, скользящий по обрабатываемой поверхности. Этим методом можно обрабатывать все виды поверхностей от плоской до фасонной.
Виброобработка – это процесс накатывания, обкатывания, раскатывания шариками или алмазное выглаживание при наличии дополнительного осциллирующего движения рабочего элемента параллельно обрабатываемой поверхности. Варьирование амплитуды и частоты осцилляций рабочего элемента наряду с изменением других режимов обработки позволяет создавать на поверхности различные регулярные микрорельефы или системы канавок.
Динамическое упрочнение производят рабочими элементами в свободном состоянии или при их фиксированном положении. В качестве рабочих элементов при свободной обработке применяют дробь и шарики (стальные или стеклянные). При фиксированном положении – шарики и ролики подшипников или специальные, в зависимости от обрабатываемой поверхности. При свободной динамической обработке рабочие элементы направляются на обрабатываемую поверхность воздушной струей с помощью специальных устройств под действием центробежных сил или в вибробункерах.
В зависимости от функционального назначения изделия за счет изменения рабочего давления обработку можно производить на отделочных, упрочняющих и промежуточных отделочно-упрочняющих режимах.
Отделочная обработка осуществляется при небольших рабочих давлениях р>1,5т и позволяет повысить несущую способность исходной шероховатости поверхности с 1–2 до 15–20%. Упрочняющую обработку производят при р>3т, при этом значительно повышается степень (до 180%) и глубина упрочнения. Обработка на промежуточных отделочно-упрочняющих режимах (1,5т<р<3т) позволяет улучшить несущую способность параметров шероховатости и волнистости, повысить исходную поверхностную микротвердость на небольшую глубину.
Все методы обработки заготовок пластическим деформированием имеют широкие возможности в управлении параметрами состояния поверхностного слоя деталей машин, а, следовательно, и их эксплуатационными свойствами. На основании исследования закономерностей формирования поверхностного слоя при отделочно-упрочняющей обработке установлены основные взаимосвязи параметров состояния поверхностного слоя с параметрами обработки.
При накатывании шариками наружных цилиндрических поверхностей параметр шероховатости Ra рассчитывается следующим образом:
где Ra исх – исходная шероховатость, d – диаметр ролика, v, s – скорость и подача, max – максимальные напряжения на контакте.
При алмазном выглаживании наружных цилиндрических поверхностей параметр шероховатости Ra определяется следующим образом:
где da – диаметр алмазного индентора.
При вибронакатывании плоских поверхностей параметр шероховатости Ra равен:
где р – давление, i =1…3.