Пособие надежность. Ч1

удара при обработке цветных сплавов должна быть примерно в 2 раза меньше, чем при наклепе деталей из конструкционных сталей).

1 2

Рис. 4.7. Схема установки для изготовления дроби: 1 – футерованный короб; 2 – барабан

Чугунная дробь получается из отбеленного чугуна. На рис. 4.7 показана установка для изготовления дроби. Жидкий чугун заливается в футерованной короб 1 и через отверстия в его дне попадает на вращающийся барабан 2. Струи жидкого металла при этом дробятся на частицы, вследствие поверхностного натяжения они принимают шаровидную форму, которая сохраняется и при затвердевании. Охлаждаясь в воде, дробь закаливается на твердость HRC 54…58. Содержание пыли в полученной таким способом дроби не превышает

0,5 %.

Стальную дробь нарубают из проволоки, она в 3…5 раз дороже чугунной, но расходуется ее в 30…40 раз меньше, поэтому расходы на стальную дробь в несколько раз меньше, чем на чугунную. Повышенный расход чугунной дроби объясняется тем, что из-за высокой хрупкости значительная часть ее при соударениях с деталью превращается в пыль. При применении стальной дроби уменьшается также износ деталей дробеметных установок. Эффективность же упрочнения деталей при той и другой дроби примерно одинакова, так как высокая прочность стальных дробинок позволяет довести скорость их подачи до 100…150 м/с, т. е. увеличить ее в 1,5…2 раза по сравнению с чугунной. Обыч-

190

ный размер дроби 0,3…2 мм. При обработке деталей небольшого размера и при необходимости получить малую шероховатость поверхности применяется дробь диаметром 0,4…0,8 мм, при обработке крупных деталей, наоборот, используется более крупная дробь. Размер концентраторов напряжений у детали и размер дроби не должны совпадать. Обычно дробь берется больше размера радиуса галтели, надрезов и т. п., а при концентраторах напряжений в виде узких глубоких канавок – меньше радиуса концентратора.

2

7

1

Рис. 4.8. Схема универсального дробемета ДУ-1 конструкции ЦНИИТМАШ: 1 – приемный бункер; 2 – элеватор; 3 – загрузочный бункер; 4 – бункер для хранения запаса дроби; 5 – питатель; 6 – ротор; 7 – электродвигатель;

8 – деталь

Применяют два типа дробеметных установок: пневматические и механические. Механические дробеметы более распространены. Схема универсального дробемета ДУ-1 конструкции ЦНИИТМАШ показана на рис. 4.8. Он имеет приемный бункер 1, элеватор 2, загрузочный бункер 3, бункер 4 для хранения запаса дроби, питатель 5 и ротор 6 с электродвигателем 7. При открытии питателя 5 дробь поступает в быстровращающийся ротор 6, лопатками которого она с большой скоростью отбрасывается на деталь 8. Образующаяся пыль отсасывается из рабочей камеры мощным вентилятором. Чтобы защитить по-

191

верхности камеры от быстрого износа, их защищают чугунными или стальными листами или плитами, а также облицовкой износостойкой резиной. В пневматических дробеметах для подачи дроби используется энергия сжатого воздуха. Дробь под давлением 0,5…0,6 МПа выбрасывается на деталь из сопла дробеметного пистолета. Сопло для повышения износостойкости, изготовляют из минералокерамики. Пневматические дробеметы наиболее удобны для обработки деталей сложного профиля. По производительности же и стабильности струи они уступают механическим дробеметам.

Режим упрочнения выбирают в зависимости от материала детали и требований, предъявляемых к качеству поверхностного слоя по глубине и степени наклепа, микрошероховатости и остаточным напряжениям. С увеличением размера дроби шероховатость поверхности ухудшается, но увеличивается глубина наклепа и остаточные напряжения. Эффективность упрочнения возрастает с увеличением скорости и интенсивности (на единицу поверхности) подачи дроби, продолжительности обработки, угла встречи дроби с обрабатываемой поверхностью. Слишком длительная обработка может привести к шелушению поверхности, перенаклепу и снижению усталостной прочности. Контроль правильности режима обычно производится по величине прогиба специальных пластин. При обработке пластины с одной стороны она под действием напряжений сжатия прогибается выпуклостью в сторону необработанной поверхности. Величина прогиба измеряется индикаторным прибором.

4. Упрочнение деталей роликовыми и шариковыми обкатниками

Обкатывание роликами и шариками применяется в машиностроении как средство упрочнения валов, осей, пальцев, шпилек, зубчатых колес и других деталей. Обкатывают цилиндрические поверхности, галтели, канавки, впадины зубьев и шлицев, торцовые поверхности и резьбы. По эффективности обкатывание занимает одно, из первых мест среди других методов поверхностного упрочнения. Оно позволяет получить слой наклепа 3 мм и более, т. е. значи-

192

тельно больший, чем, например, при дробеструйной обработке. Это особенно важно для деталей больших размеров (глубина наклепа при обкатке подступичной части вагонных осей достигает 19 мм). Твердость поверхностных слоев, по сравнению с исходной, повышается на 20…40 %, предел выносливости гладких образцов – на 20…30 %, а при работе в коррозионной среде в 4 раза. В зонах концентрации напряжений, в местах контакта с напрессованными деталями предел выносливости повышается в 2 раза и более. Срок службы различных валов в результате обкатывания увеличивается в 1,5…2 раза, осей вагонов – в 25 раз, штоков молотов – в 2,5…4 раза и т. д. Обкатывание не только создает наклеп и формирует остаточные напряжения сжатия, но и на 2…3 класса снижает шероховатость поверхности, доводя ее до 8…10-го классов. В связи с этим в ряде случаев обкатывание вытесняет малопроизводительное шлифование. Наряду с непосредственным упрочнением от наклепа, при этом устраняется вредное влияние на прочность деталей концентраторов напряжения, возникающих при шлифовании из-за прижогов.

При закалке деталей наблюдается обезуглероживание поверхностных слоев, глубина его может достигать нескольких сотых миллиметра. В результате обезуглероживания механические свойства поверхностных слоев снижаются. Обкатывание непосредственно после закалки, т. е. без предварительного снятия указанного слоя шлифованием, как правило, менее эффективно, чем с его снятием. Поэтому шлифование после закалки, перед обкаткой, для наиболее ответственных деталей, таких, например, как торсионные и коленчатые валы, может оказаться обязательной операцией. Оно может оказаться необходимым и как средство повышения точности формы деталей после термической обработки.

Шлифование после обкатывания, как и после других методов упрочняющего наклепа, в большинстве случаев недопустимо, так как приводит к полному или частичному снятию упрочненного слоя, к не всегда выгодному перераспределению остаточных напряжений по глубине. Если обкатанная поверхность образует в стыке с шлифованной поверхностью небольшую риску или ступеньку,

193

рекомендуется полировать ее шкуркой, чтобы она не стала технологическим концентратором напряжения. Обкатывание в этом случае проводят так, чтобы место стыка располагалось по возможности дальше от конструктивного концентратора напряжения.

Наибольшее влияние на степень упрочнения при обкатывании имеет давление ролика или шарика на обрабатываемую поверхность. При обкатывании шлифованных образцов из стали 40 при давлении 2,0 МПа усталостная прочность повысилась на 15 %, а при давлении 4,0 МПа – на 23 %. Максимальное давление при обкатывании р = (1,8…2,1)σт Н/мм2, где σт – предел текучести обрабатываемого материала. Чрезмерно высокое давление при обкатывании, так же как и слишком малая подача и, особенно, увеличение числа проходов могут привести к перенаклепу, шелушению поверхности и снижению напряжений в поверхностном слое.

Подача при обкатывании назначается с учетом обеспечения равномерного пластического деформирования всей поверхности. Без ущерба для качества она может изменяться в довольно широких пределах и выбирается, как правило, с учетом размеров и формы ролика, величины прикладываемой силы, а также требований к производительности процесса. Скорость при обкатывании не оказывает существенного влияния на результаты и лимитируется только размерами и конфигурацией деталей, возможностью появления вибраций и т. п. В большинстве случаев обкатывание проводится за один проход, редко за два. Эффективность последующих проходов с точки зрения усталостного упрочнения невелика. В отдельных, случаях они могут назначаться только для улучшения микрогеометрии поверхности и тогда проводятся с меньшими нагрузками и подачами.

Ролики для обкатывания изготовляют из сталей Х12М, ХВГ, 5ХНМ, У10, У12, Х12, ШХ15; их рабочие поверхности должны иметь твердость не менее HRC 58...62. Износостойкость роликов может быть повышена также наплавкой твердого сплава. Форма и размеры роликов оказывают существенное влияние на качество обработки. Рекомендуется ролики делать бочкообраз-

194

ными с R = (0,5…0,7) d (рис. 4.9, а) или с конической заборной и цилиндрической рабочей частью (рис. 4.9, б). Ширину цилиндрического пояска принимают равной 2…5 мм при обработке небольших деталей и 12…15 мм при обработке крупных деталей. Во всех случаях она не должна быть меньше удвоенной подачи при обкатывании. Угол заборной части для работы при прямом и обратном ходе делается одинаковым (~5°).

Галтели и канавки обрабатывают роликом, показанным на рис. 4.9, в. Обкатывание цилиндрических поверхностей, переходных радиусов и прилегающих торцов можно производить комбинированным роликом (рис. 4.9, г). Иногда упрочняющее накатывание галтелей коленчатого вала автомобиля (радиус 3 мм) производится на специальных станках с клиновидным роликом (рис. 4.9, д), Поверхность контакта ролика с галтелью изменяется во время вращения вала. Галтели всех семи шеек обкатываются одновременно, для каждой шейки имеется отдельная головка с двумя держателями роликов. Обкатывание производится при сравнительно небольшой силе (700 Н на ролик), при этом твердость повышается с НВ 285…321 до HRC 34…35. Время обкатывания вала составляет всего 26 с. Комплект роликов меняют после обкатывания тысячи валов.

Рабочую поверхность роликов необходимо полировать (по 9…10 классу шероховатости). Диаметр роликов dр при диаметре детали dд≤75 мм определяют по соотношению dд/dр. ≤ 4. Чем больше диаметр детали, тем меньшим берется это соотношение. При диаметре детали, равном 100 мм, диаметр ро-

195

ликов принимают равным или несколько меньшим его. Чем меньше диаметр ролика и радиус его профиля, тем больше глубина наклепа и хуже шероховатость поверхности после обработки.

Шарики для обкатных приспособлений берутся из тех, что выпускаются для шарикоподшипников.

Обкатывание деталей может производиться на токарных, шлифовальных или специальных обкатных станках с установкой деталей в центрах или патроне. Конструкции обкатных приспособлений весьма разнообразны (рис. 4.10): одно-, двух-, трехили четырех роликовые.

а

б

Рис. 4.10. Конструкция обкатных приспособлений: а – однороликовое, б – двухроликовое

Поджим роликов обычно делается пружинным или гидравлическим. Однороликовые обкатники применяют для обработки только жестких деталей, валы значительной длины и небольшого сечения могут ими легко деформироваться. Ролики в двухроликовых обкатниках устанавливают навстречу друг другу, а ролики в трехроликовых – под углом 120° один относительно другого. Изгибающие силы в этих случаях отсутствуют совсем или составляют незначительную величину. Ось ролика рекомендуется развернуть относительно заго-

196

товки в направлении подачи на угол 0°25'…0°30' с тем, чтобы отпечаток ролика на заготовке имел каплевидную форму, что уменьшает образование за роликом волнистости. Чтобы уменьшить трение в опорах, ось ролика устанавливается на шариковых или роликовых подшипниках. При больших осевых нагрузках возможно применение, наряду с радиальными, упорных шарикоподшипников.

По данным ЦНИИТМАШ, усилие на ролик при обкатывании валов из углеродистой стали можно определить по формуле

Р = (1,5…3) p0,05 Н,

где р0,05 – условное усилие, необходимое для создания наклепанного слоя, толщина которого соответствует 0,05 радиуса упрочняемого вала

где D — диаметр упрочняемого вала в мм;σT – предел текучести материала в Н/мм2.

Усилие на шарик можно определять по формуле

где dш – диаметр шарика в мм; р – максимальное удельное давление накатывания (р ≈ 2σт) в Н/мм2; Е – модуль упругости материала детали в Н/мм2.

Контроль усилия обкатывания в гидравлических приспособлениях осуществляется по манометру, в пружинных – по величине деформации пружины, определяемой по шкале или индикатору.

Большое распространение получили приспособления с гидравлическим поджимом роликов для обкатывания стержня и галтелей у валов, имеющих по концам головки. В некоторых случаях они рассчитаны на одновременное обкатывание двух валов с установкой их в центрах двухшпиндельного станка. Каждый вал обкатывается тремя роликами (рис. 4.11).

Чтобы давление на ролики не повышалось при выходе их на галтель, в гидравлической системе станка предусматривается установка специального клапа-

197

на. При большой разнице между диаметрами обкатываемого стержня и примыкающей к нему головки предусматривается постепенный разворот роликов с тем, чтобы они оставались перпендикулярными к накатываемому радиусному переходу. Конструктивно это легко обеспечивается в одноили двухроликовых головках. При отсутствии разворота ролики при выходе на галтель начинают обминать поверхность своими торцами, усилие обкатывания и схема деформации претерпевают существенные изменения, имеет место наволакивание металла перед роликами, не исключена возможность поломки приспособления. Иногда, чтобы не усложнять привод, ограничиваются тем, что обкатывание ведут уширенным роликом, установленным под углом 45° к оси детали.

Рис. 4.11. Схема обкатывания вала тремя роликами с гидравлическим поджимом

На рис. 4.12 показан торовый обкатник, в котором ролик взаимодействует с обрабатываемой поверхностью в условиях трения качения и скольжения. При этом обкатывание сочетается с выглаживанием поверхности. Ролик 1 с торовой рабочей поверхностью закрепляется на оси 3, которая установлена на игольчатых подшипниках 4 в корпусе 2 инструмента. Упорный шарикоподшипник 5 воспринимает осевые усилия. Ось ролика наклонена в горизонтальной (угол φ) и вертикальной (угол γ) плоскостях и имеет смещение относи-

198

тельно оси детали. Такое расположение позволяет увеличить рабочий радиус кривизны ролика и дает ему возможность работать с увеличенными подачами. Кроме того, из-за несовпадения векторов скоростей вращения детали и ролика создается некоторое проскальзывание ролика. Его величина зависит от соотношения скоростей вращения ролика и детали. Коэффициент проскальзывания оказывает существенное влияние на шероховатость обрабатываемой поверхности.

5

1 2 3 4

γ

Рис. 4.12. Торовый обкатник При обработке пластичных материалов, например стали Ст3, минимальная

шероховатость достигается уже при усилии 1000 Н, а при усилии 500 Н она соответствует 8...9-му классу Оптимальная подача при этом равна 0,2...0,35 мм/об., шероховатость под обкатывание должна соответствовать 5...6-му классу.

Весьма эффективной является обкатывание впадин зубьев зубчатых колес и дисков трения. Шестерни модулем 10 мм, изготовленные из стали 40ХНТ и прошедшие закалку с нагревом т. в. ч., обкатывают по впадинам; твердость повышается с НВ 250 до НВ 340, а предел выносливости – на 40 %. Растягивающие напряжения, возникшие при закалке, ликвидируются обкатыванием. Обкатыванием, наряду с чеканкой, упрочняют шлицы на валах, например,

199