2336

При ударных способах (рис. 2.6 г) инструмент, рабочие тела или среда многократно воздействуют на всю обрабатываемую поверхность или на ее часть, при этом сила воздействия Р в каждом цикле изменяется от нуля или от некоторого значения Р1 до максимума, а в случае локального ударного воздействия очаг деформирования может (как и в статических способах) последовательно и равномерно проходить всю обрабатываемую поверхность.

Рис. 2.6. Характер контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью при различных способах ППД

Инструментами при ППД могут быть ролик, шар с принудительной осью вращения или без нее, гладилка, дорн с нережущими кольцами, боекчекан и т.д. В качестве рабочих тел при ППД могут быть использованы дробь, шарики из стали, стекла, пластмассы и др. Рабочей средой при ППД могут быть жидкость, газ и их суспензии с частицами абразивного материала.

Втабл. 2.1 приведены схемы обработки с помощью основных, наиболее распространенных способов ППД. Статические способы ППД, как правило, обеспечивают меньшую шероховатость поверхности с благоприятной формой микронеровностей; с помощью ударных способов можно достичь большой степени упрочнения, которая характеризуется степенью повышения микротвердости, значениями сжимающих внутренних напряжений и толщиной упрочненного слоя.

Это относится к статическим и ударным способам по удельной нагрузке и кратности ее приложения. Однако обработка некоторыми ударными способами уступает по степени упрочнения обработке статическими способами, например, при виброударной обработке степень упрочнения бывает обычно меньше, чем при накатывании.

Всостав требований (ГОСТ 20299–74) входят следующие группы: требования к обрабатываемым изделиям, технологическим процессам обработки ППД, оборудованию, оснастке, аппаратуре и инструменту, основным технологическим материалам, обрабатываемым изделиям, контролю обработки, технологическим процессам следующей за ППД обработки и сборки изделий, технике безопасности и производственной санитарии при обработке ППД.

51

Необходимо учитывать, что обработка, основанная на пластическом деформировании тонкого поверхностного слоя, имеет по сравнению с обработкой точением, шлифованием, полированием, доводкой ряд преимуществ, в том числе:

сохраняется целость волокон металла, и образуется мелкозернистая структура в поверхностном слое;

отсутствует шаржирование обрабатываемой поверхности частичками шлифовальных кругов, полировочных паст;

отсутствуют термические дефекты;

стабильны процессы обработки, обеспечивающие стабильное качество поверхности;

можно достигать минимального параметра шероховатости поверхности (Ra=0,1...0,05 мкм и менее) как на термически не обработанных сталях, цветных сплавах, так и на высокопрочных материалах, сохраняя исходную форму заготовок;

можно уменьшить шероховатость поверхности в несколько раз за один рабочий ход;

создается благоприятная форма микронеровностей с большей долей опорной площади;

можно образовывать регулярные микрорельефы с заданной площадью углублений для задержания смазочного материала;

создаются благоприятные сжимающие внутренние напряжения в поверхностном слое;

плавно и стабильно повышается микротвердость поверхности. Указанные и другие преимущества способов ППД обеспечивают по-

вышение износостойкости, сопротивления усталости, контактной выносливости и других эксплуатационных свойств обрабатываемых деталей на 20–50%, а в некоторых случаях – в 2–3 раза (при условии выбора в каждом конкретном случае наиболее рационального способа и назначения оптимальных режимов обработки).

Наряду с обеспечением высокого качества поверхности ППД во многих случаях позволяет механизировать ручной труд и повысить производительность на окончательных операциях.

Необходимо также учитывать следующие особенности способов ППД:

подавляющее большинство способов не повышает геометрической точности поверхности, обычно сохраняется точность, достигнутая на предшествующей операции;

в связи с образованием полезных сжимающих внутренних напряжений в поверхностном слое при обработке тонкостенных и неравножестких деталей (толщиной 3–5 мм) может возникнуть коробление поверхности 5–10 мкм и более;

52

в связи с пластическим течением металла при использовании некоторых способов обработки ППД на кромках обрабатываемых поверхностей образуются равномерные наплывы металла толщиной 0,03–0,3 мм.

Поступательное скольжение дорна по

Дорнование охватывающей его поверхности. Детали типа втулок и труб, HRC<40. Специ-

альное или протяжное и прессовое оборудование. Серийное и массовое производство

53

54

В процессе упрочнения стальных деталей повышаются поверхностная микротвердость в 1,5...2 раза с глубиной упрочнения 0,3...0,4 мм и класс шероховатости поверхности, создаются остаточные напряжения сжатия.

55

3. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ СВАРКОЙ И НАПЛАВКОЙ

3.1.Сварка при восстановлении деталей машин

3.1.1.Определение и классификация видов сварки и наплавки

Сварка – это технологический процесс получения неразъемного соединения деталей или сборочных единиц посредством установления межатомных связей между свариваемыми деталями при их местном нагреве или пластическом деформировании или совместном действии одного и другого.

Наплавка – это технологический процесс нанесения покрытий на поверхность детали при помощи сварки.

Согласно ГОСТ 19521–81 сварку и наплавку классифицируют по следующим признакам:

физическому;

техническому;

технологическому.

Физические признаки определяют вид используемой энергии для образования соединения деталей, наличие давления на свариваемые детали и вид инструмента.

В зависимости от вида используемой энергии сварочные процессы разделяют на три класса: термические, механические и термомеханические.

Сварка термического класса основана на использовании тепловой энергии и включает такие ее виды: электродуговую, электрошлаковую, газовую, индукционную, плазменную, термитную, электронно-лучевую, лазерную и др. Сварка механического класса (сварка трением, ультразвуковая и др.) содержит те ее виды, которые используют механическую энергию. Сварка термомеханического класса (контактная, диффузионная, газопрессовая, взрывом и др.) основана на сочетании тепловой энергии и потенциальной энергии давления.

К техническим признакам относят способ защиты зоны сварки, непрерывность процесса и степень механизации. Технологические признаки уточняют технические признаки.

3.1.2. Дуговая сварка и наплавка

Дуговая сварка относится к сварке плавлением с помощью электрической дуги.

Сварочная (электрическая) дуга – электрический дуговой разряд в ионизированной смеси газов, паров металла и компонентов, входящих в состав электродных покрытий, флюсов и т.д.

56

В зависимости от схемы подвода сварочного тока, условий горения сварочной дуги и других признаков различают сварочные дуги следующих видов: дуга прямого действия, горит между электродом и свариваемым металлом (рис. 3.1 а); дуга косвенного действия, когда она горит между двумя электродами, а свариваемый металл не включен в электрическую цепь (рис. 3.1 б); дуга между двумя плавящимися электродами и свариваемым изделием (рис. 3.1 в); сжатая дуга.

Рис. 3.1. Виды сварочных дуг:

а – прямого действия; б – косвенного действия; в – комбинированного действия

Дуговую сварку классифицируют следующим образом:

по степени механизации – ручная, механизированная и автоматизированная;

по роду тока – постоянный, переменный и пульсирующий;

по состоянию дуги – свободная и сжатая;

по числу дуг – одно- и многодуговая;

по полярности сварочного тока – прямая и обратная;

по виду электрода – плавящийся (металлический), неплавящийся (угольный, вольфрамовый и др.).

Для возбуждения дугового разряда и получения начальной ионизации обычно два электрода или электрод и деталь сводят до соприкосновения, а затем быстро разводят. Ток между электродами проходит через мелкие неровности на торцах и разогревает их до расплавления. При быстром разведении электродов расплавляемые мостики растягиваются и сужаются. В результате этого при высокой температуре паров металла наступает ионизация промежутка и возникает дуговой разряд. Наименьшими потенциалами ионизации обладают щелочно-земельные металлы (калий, кальций) и их соединения, которые входят в состав электродных покрытий. Разряд поддерживается далее как стационарная устойчивая дуга, если сохраняются факторы, вызывающие ионизацию дугового промежутка. Если между электродами существует достаточная разность потенциалов, то полет заряженных частиц ориентируется электрическим полем и устанавливается стабильная дуга. Области дуги, в которых температура ее столба снижается до температуры расплавленного или нагретого металла, называют при-

57

электродными областями. В них протекают процессы, резко отличающиеся от процессов в столбе дуги. Энергия, выделяющаяся в этих областях, расходуется на плавление металла детали и плавящегося электрода или на плавление металла и нагрев неплавящегося электрода.

Вкатодной области скапливаются положительные ионы, а в анодной – электроны. В связи с этим в приэлектродных областях создаются условия для резкого возрастания напряженности электрического поля у катода. Возникаемые активные (катодные) пятна блуждают по поверхности торца, вызывая пространственное изменение расположения столба дуги.

Ванодной области при горении дуги создается отрицательный объемный заряд и ионизации практически не происходит. Энергия, выделяемая в анодной области при прямой полярности, расходуется на плавление металла анода.

Напряжение дуги UД (рис. 3.2) есть сумма падений напряжений в анодной UАН и катодной UKАД областях и столбе дуги UСТ, т.е.

Для дуг с плавящимся электродом при нормальных режимах

UKАТ>UАН ; UАН+UKАТ>UСТ. (3.2)

Рис. 3.2. Модель сварочной дуги и распределение потенциала по его длине: dан – диаметр дуги в анодной области; dкат – диаметр дуги в катодной области; dэ – диаметр электрода; lД – текущее значение длины дуги; lан –длина дуги в анодной области; lкат – длина дуги в катодной области;

UKАТ, UСТ, UАН – соответственно напряжение дуги в катодной области, напряжение столба дуги, напряжение дуги в анодной области

58

Физико-химические процессы при дуговой сварке и наплавке. В

процессе сварки металл плавится, образуя сварочную ванну, а затем затвердевает в виде сварочного шва. Вместе с тем происходят нежелательные явления (окисление металлов, поглощение азота, выгорание легирующих примесей, объемные и структурные изменения), что приводит к короблению деталей, нарушению их термообработки и снижению прочности в сварочном шве. Эти процессы характерны для всех способов сварки плавлением.

Окисление металла (рис. 3.3 а) приводит к снижению механических свойств сварочного шва. Поглощение азота (рис. 3.3 б) вызывает образование нитридов железа, марганца, что увеличивает прочность шва (σв и σТ), но резко уменьшает ударную вязкость (аК).

В зоне сварки происходят плавление, перенос электродного или присадочного металла, деформирование шва и другие процессы, которые влияют на производительность сварки, потери металла, устойчивость горения дуги и прочие определяющие качество сварки факторы.

Основная характеристика плавления электрода – линейная скорость его плавления в единицу времени, обусловленная составом электрода, покрытием, режимом сварки, плотностью и полярностью тока.

Рис. 3.3. Зависимость механических свойств от содержания в сварочном шве: а – кислорода; б – азота; σв – предел прочности; σт – предел текучести;

δ – удлинение; ак – ударная вязкость

В общем случае скорость плавления электрода возрастает с увеличением силы тока. При прямой полярности на электроде-аноде выделяется теплоты примерно на 20 % больше, чем на электроде-катоде. На характер переноса электродного металла, форму и размер капли влияет также соотношение сил (сила тяжести, сила поверхностного натяжения, электромагнитная сила, сила реактивного давления паров, аэродинамическая сила и др.), действующих на каплю металла на торце электрода.

С учетом соотношения сил, действующих на каплю, перенос электродного металла может существенно изменяться. На тип переноса (крупнока-

59

пельный, мелкокапельный, туманообразный) влияют состав и толщина покрытия, режимы сварки, род тока и полярность.

Для электродов с толстым покрытием характерен крупнокапельный перенос в широком диапазоне режимов сварки, а для электродов с кислым

ирутиловым покрытиями – мелкокапельный. Малый размер капель обусловлен сравнительно низким межфазным напряжением на границе металла со шлаком, поскольку шлак и металл содержат значительное количество кислорода.

При низких плотностях тока металл переносится крупными каплями. С увеличением его плотности масса капель уменьшается и наблюдается мелкокапельный (так называемый туманообразный) перенос. Когда сварочный

ток превысит критическое значение IКР>(140...150)dЭЛ, возможен струйный перенос.

Возрастание тока дуги приводит к увеличению глубины проплавления

иобразованию более высоких и узких валиков.

Формирование и кристаллизация металла сварочной ванны. Этот процесс происходит по мере перемещения источника тепла и начинается от частично оплавленных зерен основного металла в виде дендритов, растущих в направлении, обратном теплоотводу. На различных этапах кристаллизации металла сварочной ванны и роста дендритов состав кристаллизирующегося жидкого металла неодинаков. Первые порции металла менее загрязнены примесями. В результате образуется зональная и внутридендритная химическая неоднородность металла.

Металл швов, выполненных сваркой плавлением, имеет столбчатое строение. Кристаллы отличаются крупными размерами и легкоразличимы при изучении микроструктуры.

В каждой точке околошовной зоны температура вначале нарастает, а затем снижается, и чем ближе точка расположения к границе сплавления, тем быстрее металл нагревается. Поэтому структура и свойства металла в зоне будут различны. Размеры зоны и характер превращений, происходящих в ней, будут зависеть от теплофизических свойств свариваемого (наплавляемого) металла, способа и режима сварки, типа сварного соединения и т.п.

На рис. 3.4 представлена схема структурных изменений зоны термического влияния среднеуглеродистой стали в момент, когда металл шва находится в расплавленном состоянии.

При переходе вещества из одной фазы в другую изменяются свойства сварного соединения. В процессе сварки плавлением взаимодействующими фазами служат жидкий и твердый металл, газ и жидкий шлак. Выделяют две основные зоны взаимодействия расплавленного металла с газами и шлаком – торец электрода с образующимися на нем каплями и сварочную ванну. Полнота протекания реакции и их направление в зависимости от условий взаимодействия (температуры, времени) могут быть различны.

60