Теоретические основы разработки процессов восстановления деталей пластическим деформированием.



Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана     И.Г. Кременский, И.Б. Шачнева   Курс лекций по дисциплине « Технологические процессы реновации давлением и резанием»   Содержание   Введение   Часть 1. Технологические процессы реновации давлением.   1.1. Теоретические основы разработки процессов восстановления деталей пластическим деформированием…………………………………….. 1.2. Способы восстановления деталей перемещением металла на изношенные поверхности……………………………………………. 1.3. Восстановление кривизны деталей пластическим деформированием (правка)………………………………………………………………… 1.4. Восстановление характеристик поверхностного слоя деталей пластическим деформированием …………………………………….. 1.5. Операции пластического деформирования при изготовлении деталей в ремонтном производстве и их утилизации…………………………….   Часть 2. Технологические процессы реновации резанием   2.1. Основы разработки технологических процессов реновации резанием (с использованием конструктивных элементов, компенсирующих износ) 2.2. Физические основы формирования качества поверхности при восстановлении методами лезвийной и абразивной обработки……………… 2.3. Восстановление поверхностей деталей машин методами лезвийной обработки…………………………………………………………… 2.4. Восстановление поверхностей деталей машин методами абразивной обработки…………………………………………………………….. 2.5. Подготовка изношенных поверхностей деталей методами резания к восстановлению газотермическими методами…………. 2.6. Разработка маршрутов восстановления изношенных поверхностей деталей резанием и решения задач по восстановлению поверхностей деталей в узлах машин…………………………………   Список рекомендуемой литературы……………….   Введение. Говоря «технологические процессы реновации», подразумевают, главным образом, технологию обработки выбракованных вследствие эксплуатации деталей для их вторичного использования либо в качестве ремонтной заготовки для изготовления той же или другой детали, либо в качестве продукта для получения нового материала. Ремонтной заготовкой называют состояние восстанавливаемой детали после создания на ее поверхностях припусков для последующей механической обработки с целью обеспечения необходимой точности и шероховатости. Ремонтную заготовку получают одним из трех технологических методов. Первый – нанесение на поверхность восстанавливаемой детали покрытия наплавкой, напылением, электрохимическим осаждением. Способы создания ремонтных заготовок путем нанесения покрытий получили наибольшее распространение; при это материал покрытий в большой мере определяет свойства поверхностного слоя, формирование которых связано с термическим воздействием на деталь, химическими и структурными изменениями ее поверхности. Этот метод создания ремонтных заготовок рассматривается в курсе «Технологические процессы реновации сваркой и наплавкой». Второй – пластическое деформирование; третий предполагает выкраивание припуска из материала самой детали для ее обработки резанием под один из ремонтных размеров. Эти методы, имеющие общие физико-механические основы, рассматриваются в данном курсе. Кроме того, механическая обработки резанием применяется не столько при обработке под ремонтный размер заготовки, сколько, в основном, для ее последующей обработки после пластического перераспределения металла и после нанесения покрытий, а также перед их нанесением. Ремонтная заготовка имеет свои специфические особенности как заготовка для обработки резанием, технология которой поэтому также имеет свои особенности. Метод восстановления деталей механической обработкой давлением и резанием отличается относительно низкой энерго- и трудоемкостью, позволяет восстанавливать не только размеры, но и прочность, долговечность деталей. Технологические процессы реновации давлением включают процессы пластического деформирования при восстановлении деталей, используемые в трех направлениях; - для перемещения металла со свободной поверхности на изношенную; - для исправления кривизны деталей; - для придания необходимых свойств восстанавливаемой поверхности. У всех этих процессов есть свои особенности, отличающие их от традиционных процессов формообразования поковок и деталей. Самая очевидная особенность пластического деформирования при восстановлении деталей – малая степень деформации. Известно, что свыше 85% деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин, станочного оборудования, стационарных двигателей и других машин становятся неработоспособными при износе, не превышающем 0,2…0,3 мм, а изменение кривизны при правке не превышает несколько угловых градусов. Столь малые деформации позволяют при расчетах записывать условие сохранение объема не в логарифмических, а в относительных деформациях; требования по точности восстанавливаемых деталей и малая величина деформаций влекут за собой необходимость учета упругих деформаций. Учет упругой деформации и ее неравномерности по высоте необходим, например, при восстановлении цилиндрических деталей осадкой, механическим обжимом и раздачей. Очевидна важность учета упругих деформаций для точности восстанавливаемых деталей при исправлении их кривизны, значения которой часто лежат целиком в области упругих деформаций. Небольшая величина требуемых для восстановления деформаций дает возможность достичь их только за счет действия термических напряжений. Так при термоупругопластичечском деформировании (ТПД) остаточное формоизменение получают созданием переменного градиента температуры, как вдоль радиуса, так и вдоль оси цилиндрических деталей. Формируя при этом в нагретом металле сжимающие напряжения, которые больше предела текучести, пластически деформируют этот металл до степени, достаточной для восстановления детали. При восстановлении деталей часто требуется небольшое направленное перемещение метла на изношенное место; такую деформацию целесообразно осуществлять локальным приложением нагрузки, т.е. внедрением в тело детали инструмента с размерами, незначительными по сравнению с ее размерами. Большую долю таких технологий при восстановлении деталей пластическим деформированием можно считать еще одной его особенностью. Внедрение инструмента может вызывать перемещение металла навстречу ему и в сторону; соотношение этих перемещений зависит от расстояния оси инструмента до края детали. Если это расстояние незначительно и преобладает течение металла в сторону, то такой процесс называют восстановлением вдавливанием, которым уменьшают диаметр изношенных отверстий или увеличивают размер по внешнему контуру деталей. Если металл поднимается навстречу вдавливаемому инструменту, образуя рифленую поверхность, то такой процесс называют накерниванием и накаткой, когда эффект локального деформирования при восстановлении деталей проявляется в полной мере. Локальное внедрение инструмента – индентора в поверхность детали сопровождается не только подъемом металла навстречу инструменту, но и пластической деформацией под ним. Вследствие этого на некоторой глубине создаются сжимающие остаточные напряжения. Это происходит при поверхностном пластическом деформировании (ППД), когда такие единичные нагружения покрывают всю поверхность. В разнообразных технологических процессах ППД сжимающие остаточные напряжения и наклеп существенно улучшают характеристики восстановленной разными методами поверхности детали. А деформации, вызываемые остаточными напряжениями, используют в процессах правки деталей особенно сложной формы, таких как коленчатые валы. Механическая обработка резанием в технологических процессах восстановления деталей может служить для восстановления детали под ремонтный размер; для окончательной обработки ремонтной заготовки (пластически деформированной или с нанесенным покрытием) и для специальной подготовки поверхности под нанесение различного рода покрытий. При этом методы, приемы и режимы обработки имеют ряд специфических особенностей и чаще всего не могут непосредственно переносится из области изготовления в область восстановления. К этим особенностям можно отнести: отсутствие или износ первичных технологических баз; нестабильность физико-механических свойств (твердости и др.) и припусков на обработку; высокую твердость и низкую пластичность большинства покрытий; очень широкую номенклатуру обрабатываемых деталей при небольшой партионности. Установочные базы при восстановлении деталей желательно использовать те же, что и при изготовлении, но при их повреждении или уничтожении это условие выполнить нельзя. В качестве новых установочных баз следует использовать поверхности, которые были изготовлены с повышенной точностью и в процессе работы претерпели минимальный износ и деформации. При выборе новых баз надо гарантировать надежное крепление, минимальные деформации детали, требования по соосности и другие, общие для выбора баз при механической обработке. Припуск, образованный в процессе восстановления, есть слой материала, необходимый для выполнения всей совокупности технологических переходов при восстановлении данной поверхности детали. Существующие методы восстановления при постоянных режимах обеспечивают относительно одинаковую толщину покрытия. Так как на восстановление поступают детали с разной степенью износа, то при нанесении на изношенные поверхности одинакового слоя материала припуски на их последующую механическую обработку будут различными. Из-за специфических условий нанесения и охлаждения покрытия его твердость неравномерна и колеблется в широких пределах (от 30 до 50 HRC при наплавке). Низкая обрабатываемость материала покрытия может привести к очень низкой стойкости резцов (порядка 30 мин) и частым разрушением инструмента. Наиболее распространенный способ механической обработки покрытий (особенно плазменных) – шлифование. В качестве инструмента в большинстве случаев используют алмазные круги, из карбида кремния, реже - из эльбора. В результате механической обработки в поверхностном слое покрытия возникают пластическая деформация, наклеп, нагрев, внутренние остаточные напряжения, что приводит к снижению прочности сцепления покрытия с основой, изменению открытой пористости покрытия. При восстановлении деталей износостойкими материалами, последующая обработка лезвийным инструментом затруднена из-за высокой стойкости покрытия, наличия ударных нагрузок в результате значительной микронеровности покрытия и шлаковых включений в слое, что необходимо учитывать при разработке технологий механической обработки резанием. В предлагаемом читателю курсе лекций дисциплины рассмотрены теоретические основы расчетов параметров технологических процессов восстановления деталей, основные законы пластического деформирования, основы метода расчета деформирующих сил по приближенным уравнениям равновесия и условию пластичности. Рассмотрены операции пластического деформирования при восстановлении деталей перемещением металла на изношенные поверхности: осадка, раздача, обжим, при этом выделено термопластическое деформирование: раздача и обжим. Дан анализ особенностей пластического перемещения металла локальным внедрением инструмента при вдавливании, накатке, деформирующем резанием и приведены примеры этих процессов при восстановлении деталей. Основные виды поверхностного пластического деформирования рассмотрены, главным образом, с точки зрения их использования при восстановлении свойств поверхностного слоя деталей. Во второй части курса, посвященной технологическим процессам реновации резанием, даются основы разработки процессов с использованием конструктивных элементов компенсирующих износ; излагаются содержание технологической, организационной подготовки при выполнении технологических процессов восстановления, особенности этих процессов; основные этапы выбора средств технологического оснащения, последовательность разработки технологического процесса восстановления изношенной поверхности. Рассматриваются физические основы формирования качества поверхности при восстановлении методами лезвийной и абразивной обработки; требования к качеству восстанавливаемых поверхностей, необходимый контроль и виды поверок после восстановления. Даны основные методы и способы восстановления, представлены схемы обработки, приведены необходимые зависимости, последовательность расчетов при выборе параметров процессов восстановления. Даны рекомендации по назначению исходных параметров в зависимости от характеристик заготовки, вида износа, требуемой точности, условий обработки и выбранного метода или способа восстановления. Рассматриваются возможные виды брака и пути их устранения.     ЧАСТЬ 1. Технологические процессы реновации давлением.  

Теоретические основы разработки процессов восстановления деталей пластическим деформированием.

1.1.1. Физические основы пластической деформации.

 

Пластическая деформация, внешнее проявление которой – необратимое изменение формы тела без нарушения его сплошности, является следствием необратимого перемещения атомов в отдельных кристаллитах (зернах) тела. При этом основной механизм пластической деформации – скольжение одной части кристаллита относительно другой по плоскостям скольжения.

Значение касательных напряжений, вызывающих скольжение в реальных кристаллах, значительно ниже расчетного для идеальной кристаллической решетки. Причина такого расхождения – наличие нарушений закономерности расположения атомов в кристаллической решетке - дисклокаций, вакансий. Действительный процесс скольжения осуществляется не одновременным смещением всех атомов одной кристаллографической плоскости относительно атомов смежной, параллельной плоскости, а последовательным смещением групп атомов, расположенных в данной плоскости.

Наличие дополнительной атомной плоскости по одну сторону от плоскости скольжения (краевая дислокация) вызывает нарушение правильного расположения атомов, соответствующего минимуму потенциальной энергии. Таким образом, вблизи дислокаций возникает силовое поле с повышенным уровнем потенциальной энергии. Силовые поля дисклокаций могут взаимодействовать с силовыми полями примесных атомов, которые оказывают при этом значительное сопротивление движению дислокаций. Расположенные в пересекающихся плоскостях дислокации взаимодействуют, стремясь занять положение, соответствующее уменьшению потенциальной энергии атомов. И по этой причине последующее движение дислокаций становится более затрудненным; сдвиговое напряжение, потребное для пластической деформации, увеличивается по мере деформирования.

Пластической деформации всегда предшествует упругая, при которой межатомные расстояния под действием напряжений уменьшены, а следовательно может уменьшаться и объем тела. При пластической деформации после снятия внешней нагрузки атомы возвращаются в положения, соответствующие минимуму потенциальной энергии, происходит упругое последствие, межатомные расстояния восстанавливаются и, как следствие, при пластической деформации не должна изменяться плотность или удельный объем деформируемого кристаллического тела. Однако у реальной кристаллической структуры по мере пластической деформации увеличивается количество несовершенств и объем может незначительно увеличиться за счет этого.

Пластическая деформация поликристаллического тела складывается из пластической деформации составляющих его кристаллитов с изменением их формы и смещением относительно друг друга. Поскольку плоскости скольжения в отдельных кристаллитах ориентированы в пространстве по-разному, пластическая деформация в них начинается не одновременно. В первую очередь начинают деформироваться кристаллиты, имеющие ориентировку плоскостей скольжения, совпадающую с направлением наибольших касательных напряжений. Другие кристаллиты деформируются упруго и смещаются относительно первых. По мере увеличения сил, необходимых для деформации благоприятно расположенных кристаллитов, касательные напряжения, действующие в неблагоприятных ориентированных кристаллитах, достигают величины, при которой начинается их пластическая деформация.

Неодновременное включение кристаллитов в пластическую деформацию усиливает эффект упрочнения и вызывает появление в них остаточных напряжений второго рода (т.е. на межкристаллитном уровне). В благоприятно ориентированных кристаллитах – деформации противодействуют связанные с ними неблагоприятно ориентированные кристаллиты; поэтому, в первых возникают остаточные напряжения сжатия, во вторых – растяжения. Этим объясняется ряд особенностей пластического деформирования, например, эффект Баушингера, когда образец, предварительно деформированный за предел текучести, уменьшает сопротивление деформированию при последующей деформации обратного знака.

Происходящие при пластической деформации изменения кристаллической структуры вызывают изменение механических и физико-химических свойств металла, в частности, возрастание прочностных (временное сопротивление, твердость и др.) и понижение пластических характеристик (относительное удлинение, ударная вязкость и др.). Одновременно увеличивается электрическое сопротивление, уменьшается сопротивление коррозии, теплопроводность; магнитная проницаемость уменьшается, а коэрцитивная сила увеличивается.

Совокупность изменения свойств вследствие изменения структуры в процессе пластической деформации называют физическим упрочнением или наклепом. При нагреве деформируемого металла в нем протекают процессы, противоположные упрочнению: возврат и рекристаллизация. С увеличением температуры амплитуда тепловых колебаний атомов увеличивается, что облегчает возвращение атомов в положение равновесия. При этом снижаются остаточные напряжения, происходит некоторое уменьшение прочностных характеристик и увеличение пластичности. Эти явления, происходящие при абсолютных температурах выше (0,25 – 0,3) Тплпл – абсолютная температура плавления) называют возвратом. Дальнейшее увеличение температуры деформируемого металла до значений 0,4Тпл (для чистых металлов) приводит к началу рекристаллизации, при которой вырастают недеформированные равноосные зерна относительно новых центров кристаллизации.

Если в процессе пластической деформации рекристаллизация полностью снимает наклеп, то такую деформацию называют горячей. Пластическая деформация, сопровождаемая наклепом, считается холодной.

 

1.1.2. Основные законы пластической деформации.

 

Физическое представление о пластической деформации объясняет некоторые общие ее закономерности, называемые основными законами пластической деформации. Их учет при разработке процессов пластического деформирования имеет первостепенное значение.

Закон постоянства объема практически основывается на том, что плотность металла, уже подвергнутого первичной горячей обработке давлением, изменяется пренебрежимо мало (при деформировании литого металла плотность его несколько возрастает за счет ликвидации газовых и усадочных микропустот). Поэтому при расчетах в обработке давлением обычно принимают закон: объем пластически деформированного тела до пластической деформации равен его объему после деформации.

Если взять параллелепипед в координатных осях X,У,Z (рис. 1) с ребрами, имеющими исходные размеры Xоо,Zо, и считать, что после деформации параллелепипед сохраняет форму, но имеет размеры Xдд,Zд, то по условию постоянства объема можно записать:

 

V = Xo ·Уo ·Zo = Xд · Уд ·Zд

 

следовательно:

 

ln +ln ln

 

Величины  носят названия истинных, действительных или логарифмических степеней деформации. Таким образом: , т.е. сумма логарифмических степеней пластической деформации по трем взаимно перпендикулярным направлениям равна нулю. Одна из степеней деформации должна иметь знак, противоположной знаку двух других, а по абсолютной величине быть равной их сумме.

Степень деформации можно выразить так же, как отношение приращения размера к начальному размеру;

 

Поэтому величины   и    связаны между собой:

 

ln ln(1+ );

 

Разложив ln (1+ ) в ряд:

 

 

-  и т. д.

 

можно увидеть/ что при степенях деформации, меньше 0,1, разница между δ и ε меньше 5%, поэтому для малых деформаций, которые реализуются в процессах восстановления деталей пластическим деформированием: .

Условие постоянства объема не означает, однако, что в момент самого деформирования при нагрузке тела внешними силами его объем остается неизменным. Необходимо учитывать другой закон пластического деформирования: пластическая деформация всегда сопровождается упругой деформацией тела, зависимость которой от напряжения определяется законом Гука. Следовательно, размеры тела в конечный момент его нагружения отличаются от его размеров после снятия нагрузки. И если при горячей обработке давлением при больших пластических деформациях упругой деформацией можно пренебрегать, то при холодной деформации, чаще используемой в процессах восстановления деталей, упругая деформация бывает очень заметной.

Закон наименьшего сопротивления был сформулирован русским ученым С.И. Губкиным следующим образом:

«В случае возможности перемещения точки деформируемого тела в различных направлениях, каждая точка деформируемого тела перемещается в направлении наименьшего сопротивления».

Для практического использования этого закона надо знать для каждой данной точки направление, в котором сопротивление течению будет наименьшим. При осадке между параллельными плитами, когда по плоскостям контакта действует трение, каждая точка тела в плоскости, перпендикулярной к действию внешней силы, перемещается по кратчайшей нормали к периметру сечения. Таким образом, любая форма поперечного сечения тела при его пластической осадке с наличием контактного трения стремится принять его форму, имеющую при данной площади наименьший периметр, т.е. в пределе стремится к кругу.

При обработке металлов давлением, как правило, деформации по объему тела неоднородны, в связи с чем отдельные слои и части пластически деформируемого тела стремятся к различному изменению размеров. Но в это же время эти части тела взаимосвязаны и не могут изменить свои размеры независимо друг от друга. Из этого следует следующий закон пластического деформирования – закон дополнительных напряжений: «при любом пластическом изменении формы в слоях и частях тела, стремящихся к большему изменению размеров, возникают дополнительные напряжения, знак которых отвечает уменьшению размеров, а в слоях и элементах тела, стремящихся к меньшему изменению размеров, возникают дополнительные напряжения, знак которых отвечает увеличению размеров». (Губкин С.И.)

Дополнительные напряжения подразделяют трех родов:

1 – уравновешивающиеся между отдельными слоями тела;

2 – уравновешивающиеся между отдельными кристаллитами;

3 – уравновешивающиеся между отдельными элементами кристаллитов.

 

Возникновение в деформируемом теле дополнительных напряжений может вызвать снижение пластичности и увеличение сопротивления деформированию, если эти напряжения остаются в виде так называемых «остаточных напряжений». Но дополнительные напряжения могут быть сняты либо пластической деформацией тех слоев и элементов, в которых они возникли, либо за счет нарушения целостности тела, т.е. образования микро- и макротрещин.

Неоднородности деформаций при пластическом деформировании способствуют:

- неоднородность свойств обрабатываемого металла, определяемая ликвацией (химической неоднородностью); неоднородность размеров зерен металла; неравномерной температурой заготовки;

- степень различия формы исходной заготовки и требуемой детали, чем больше она отличается от исходной, тем больше неоднородность деформаций;

- контактное трение между обрабатываемой заготовкой и деформирующим инструментом.

Практическое значение имеет закон подобия, позволяющий на основании испытаний модели заготовки определить параметры деформирования настоящей заготовки. Закон подобия можно сформулировать следующим образом: если производить процессы пластического деформирования геометрически подобных тел из одинакового материала в подобных условиях, то необходимые удельные усилия деформирования будут равны между собой, отношения полных усилий деформирования будет равно квадрату, а отношение затрачиваемых работ – кубу отношений соответственных линейных размеров.

К основным условиям подобия процессов пластического деформирования относят:

- геометрическое подобие, заключающееся в том, что отношение соответствующих размеров модели и настоящей заготовки одинаковы и равны масштабу моделирования;

- формы рабочей части инструментов для деформирования должны быть геометрически подобны;

- степени деформации в сравниваемые моменты должны быть одинаковы;

- модель и настоящая заготовка должны быть физически подобны;

- коэффициенты трения между деформируемым металлом и инструментом должны быть одинаковыми.

Однако точное моделирование практически трудно осуществимо, т.к. полное физическое подобие не может быть достигнуто уже потому, что отношение поверхности к объему у подобных моделей и настоящей заготовки будут различным. Таким образом, основная задача заключается в установлении методов приближенного моделирования.

 

1.1.3. Механическое представление пластической деформации.

 

При анализе и расчете параметров процессов восстановления пластическим деформированием нужно установить зависимости между искомыми параметрами и константами, характеризующими свойства материала. При этом рассматриваем однородное, изотропное, представляющее собой систему непрерывных точек тело, отвлекаясь от его реального строения, о котором говорили выше. Таким образом, реализуется «феноменологический» подход, когда отталкиваемся только от внешних проявлений строения (феноменов), свойств материала. Механические свойства (константы) материала определяют по результатам механических испытаний, когда деформирование осуществляют при линейной схеме растяжения или сжатия. Процесс пластического деформирования при этом можно представить в виде зависимости в координатах: f( , где   - истинное напряжение, равное отношению деформирующей силы Р к текущей величине площади поперечного сечения F.

ε  – текущая величина степени пластической деформации. Величину   называют напряжением текучести при линейном растяжении;    - показатель сопротивления деформированию. Зависимость f( , называемая кривой упрочнения, в общем случае имеет сложный характер. С наибольшей точностью ее можно аппроксимировать выражением:  = где N и n - коэффициенты, характеризующие степень упрочнения материала. Но такая аппроксимация сложна для инженерных расчетов, для которых обычно используют аппроксимацию кривой в виде прямой линии. В качестве прямой чаще принимают касательную, проведенную к кривой упрочнения в точке, соответствующей окончанию этапа равномерного удлинения при линейном растяжении и началу образования шейки. В этот момент условное напряжение при испытании на растяжении равно временному сопротивлению разрыву .

Напряжение текучести , соответствующее этому моменту равно:

 

=   где Fш  - площадь поперечного сечения образца в момент образования шейки.

Из условия постоянства объема при пластическом деформировании можно установить:

 

F= , где  - относительное удлинение образца, lo и l - начальная расчетная длина образца и текущая соответственно.

Тогда: dF=

Эти соотношения справедливы при равномерном удлинении образца до момента образования шейки. В момент образования шейки интенсивность роста усилия за счет упрочнения по абсолютной величине равна интенсивности убывания усилия за счет уменьшения площади поперечного сечения, т.е.:

dPш=

 

Подставив в это выражение значения F и dF, получим:

dPш= (

Приравнивая к нулю выражение в скобках, получим:

       

 

Поскольку   есть тангенс угла наклона касательной, проведенной к кривой упрочнения в точке, соответствующей началу образования шейки, можно найти величины отрезков, отсекаемых этой касательной на осях координат.

Из геометрических соображений:

 

 

Отсюда следует, что Х=1.

Из подобия треугольников:

 

 

Таким образом, касательная проведенная к кривой упрочнения в точке, соответствующей началу образования шейки, отсекает на отрицательной части оси абсцисс отрезок, численно равный единице, а на оси напряжений текучести- отрезок численно равный временному сопротивлению разрыву   .

Практическое значение такой аппроксимации можно показать примером: определить сжимающее давление, которое надо приложить к торцу цилиндрической детали из стали 40 (  = 600 МПа), для уменьшения ее высоты со 100 до 70 мм. Пользуясь линейной аппроксимацией в расчетах для достижения деформации 30% можно принять необходимое давление равным 600 ∙ 1,3 = 780 МПа.

Кривая упрочнения, как математическая модель процесса пластического деформирования, реально может быть ограничено и по оси деформаций – предельной степенью деформаций, и по напряжений - максимально допустимым давлением на инструмент с точки зрения его стойкости. Таким образом, технологическими свойствами металла в процессе пластического деформирования можно считать пластичность, характеризующуюся приближенно максимально относительным удлинением ( ) или сужением ( ), и сопротивлением деформированию, которое может быть оценено стандартными характеристиками прочностных свойств ( ; σ0,2) и модулем упрочнения, являющимся тангенсом угла наклона аппроксимирующей прямой к оси абсцисс. Свойства некоторых сплавов характеризующие их деформируемость представлены в табл.1 (раздаточного материала).

 

1.1.4. Влияние различных факторов на процесс пластического деформирования.

Для простой схемы линейного нагружения можно наглядно показать влияние основных условий на процесс пластического деформирования по кривым упрочнения.

Температура оказывает существенное влияние на процесс пластического деформирования – с ее повышением увеличивается, в целом, пластичность и понижается сопротивление деформированию (рис. 3).

Например, у углеродистых сталей при повышении температуры до 10000С относительное удлинение увеличивается в 3-4 раза, а временное сопротивление разрыву    понижается более, чем в 10 раз (рис.3). Но зависимость технологических свойств от температуры носит не монотонный характер: при температурах в районе 3000 С происходит заметное увеличение сопротивления деформированию стали и понижение пластичности. Предполагают, что это явление вызывается выделением мелкодисперсных частиц карбидов, нитридов по плоскостям скольжения. Некоторое падение характеристик пластичности углеродистой стали можно видеть также в интервале 8000 С – 9000С из-за протекания фазовых превращений и неполного процесса рекристаллизации. При температурах, близких к температуре плавления, наблюдается резкое падение показателей пластичности. Это связано со значительным ростом размеров зерен вследствие собирательной рекристаллизации (перегрев) и с последующим нарушением межзеренных сил сцепления вследствие окисления границ зерен (пережог металла). Такая закономерность наблюдается и для других металлов и сплавов.

Таким образом, лучшие технологические свойства металлы и сплавы имеют при температурах выше температуры рекристаллизации, т.е. в условиях горячего деформирования. Однако рекристаллизация проходит в металле с некоторой скоростью, поэтому трудно рассматривать влияние температуры изолированно от влияния скорости деформирования; принято говорить о температурно-скоростных условиях деформирования или о так называемом термомеханическом режиме обработки давлением. Например, если скорость деформирования меньше скорости рекристаллизации, то зависимость  имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс, такую деформацию называют идеальной горячей. Практически такой вид деформации достигается с трудом, как правило упрочнение опережает разупрочнение, и σs возрастает по мере деформирования.

Говоря о влиянии скоростных условий деформирования необходимо различать две скорости: скорость деформирования, представляющую собой скорость перемещения деформирующего инструмента, и скорость деформации, представляющую собой изменение степени деформации    в единицу времени t. Скорость деформации    выражается формулой:

 

 

При деформировании на прессах скорость деформирования составляет примерно 0,1 … 0,5 м/с, а скорость деформации 1…5 1/с На молотах скорость деформирования 5…10 м/с, а скорость деформации может достичь 200…250 1/с.

Чем выше скорость деформации и чем меньше скорость рекристаллизации при горячей обработке, тем больше будет сопротивление деформированию и меньше пластичность. С увеличением скорости деформации особенно резко падает пластичность некоторых магниевых сплавов, высоколегированной стали, что объясняется малыми скоростями рекристаллизации.

Влияние скорости деформации при холодной обработке давлением значительно меньше, чем при горячей. Однако в этом случае сильнее может сказываться тепловой эффект, выражающийся в том, что энергия пластического деформирования в основном превращается в теплоту. Практически этот эффект оказывает заметное влияние при высокоскоростном деформированием, т.е. при скоростях деформирования больше чем 20 м/с. Поэтому некоторые сплавы, обладающие низкими пластическими свойствами в обычных условиях, успешно деформируются высокоскоростными способами, например, штамповкой взрывом.

Пластическое деформирование при восстановлении деталей обычно производят на прессах и предпочтительно без нагрева, т.к. нагрев улучшая обрабатываемость давлением, сопровождается окислением поверхности (образованием окалины) и увеличением коэффициента трения между деталью и инструментом.

Кроме температурно-скоростных условий деформирования на вид кривой упрочнения и технологические свойства металла оказывает схема приложения сил. Чем больше суммарная величина сжимающих давлений, тем выше пластические свойства металла. Кривая упрочнения с момента образования шейки при наложении сжимающих давлений (от 2500МПа) проходит выше и дальше (  и   увеличиваются). Сжимающие давления можно создать специальными газостатами, но их увеличению могут способствовать и силы трения между металлом и инструментом.

 

1.1.5. Контактное трения при пластическом деформировании.

В процессе пластического деформирования между деформируемой заготовкой и инструментов всегда возникают силы контактного трения, поскольку деформируемый металл скользит относительно инструмента. Эти силы трения существенно влияют на процесс пластического деформирования, так как приводят к неоднородности деформации или усиливают ее. Объясняется это тем, что силы трения вызывают касательные напряжения в поверхностных слоях заготовки, направленные против скольжения металла по инструменту. Касательные напряжения, распространяясь в глубину деформируемого тела, уменьшаются по величине, создают зоны затрудненной деформации и нарушают ее однородность.

Контактное трение чаще играет отрицательную роль в процессе пластического деформирования, так как преодолевается внешней нагрузкой, увеличивая иногда необходимое деформирующее усилие в несколько раз. При этом трение снижает стойкость деформирующего инструмента.

Трение при пластическом деформировании существенно отличается от трения скольжения в узлах механизмов; значения коэффициентов трения, найденные в условиях трения в деталях машин, не пригодны для определения сил контактного трения при пластическом деформировании. При пластическом деформировании на контактную поверхность непрерывно поступают из глубины деформируемого тела новые частицы металла, поскольку высокое контактное давление и смятие металла заготовки по форме поверхности инструмента обуславливает значительные силы молекулярного сцепления между ними. ( в то время как в кинематических парах происходит приработка трущихся поверхностей с механическим отделением продуктов износа). Поэтому, закон Амонтона – Кулона (Т=f ∙ N), приближенно определяющий характер трения даже в кинематических парах, еще в меньшей степени пригоден для определения сил трения при пластическом деформировании.

Однако из-за сложности механизма пластического трения при анализе процессов пластического деформирования часто законом Амонтона – Кулона приходится пользоваться, принимая экспериментально найденные величины коэффициента трения.

На величину коэффициента трения при пластическом деформировании влияют многие факторы. Основной фактор – состояние поверхности деформирующего инструмента: чем меньше шероховатость поверхности, тем меньшую величину (при прочих равных условиях) имеет коэффициент трения. Влияние состояния поверхности инструмента можно наглядно видеть при осадке цилиндрической заготовки между плитами с однонаправлено обработанными поверхностями: в этом случае цилиндрическая заготовка приобретает заметную эллипсность. В тоже время считают, что шероховатость контактной поверхности деформируемой заготовки имеет значение только в начальный момент деформирования.

Наличие пленки окислов на поверхности заготовки при ее малой определенной толщине может уменьшать коэффициент трения, но при увеличении толщины пленки коэффициент трения увеличивается.

Коэффициент контактного трения уменьшается с увеличением скорости скольжения металла по поверхности инструмента, т.е. с увеличением скорости деформирования. При высокоскоростном деформировании (vd>20 м/с) уменьшение сил трения может быть значительным.

Силы трения уменьшаются и при пульсирующем приложении нагрузки.

Самый эффективный и практически используемый фактор, уменьшающий силы трения при пластическом деформировании – наличие смазки на контактирующих поверхностях инструмента и заготовки. В качестве смазок при холодном и горячем деформировании используют жидкие масла и твердые материалы (например, дисульфид молибдена); суспензии (например, графит с машинным маслом); применяют фосфатные и оксидированные покрытия, покрытия и прокладки из пластичных металлов. Применение смазок при горячем деформировании может уменьшать коэффициент трения на 15-25% до 0,3 -0,4; при холодном деформировании со смазкой коэффициент трения может быть в пределах 0,06-0,12.

 

1.1.6. Напряженное и деформированное состояние металла.

 

Напряжение – интенсивность внутренней силы (возникающей под влиянием внешних сил), действующей на площадку dF, зависит от выбранного положения этой площадки в деформируемом теле и от ее ориентации.

Если в деформируемом теле выделить бесконечно малый элементарный куб с гранями, перпендикулярными к осям прямоугольной системы координат, то по всем граням этого куба будут действовать в общем случае различные напряжения. Эти напряжения можно разложить на соответствующие по осям координат: нормальные, обозначаемые σ с соответствующим оси координат индексом, и касательные, расположенные в плоскости грани куба и обозначаемые τ с двумя индексами, из которых первый указывает направление касательной составляющей, а второй – нормали к площадке (рис. 4). Зная напряжения, действующие на трех взаимо - перпендикулярных площадках, можно определить проекции полного напряжения Sx; Sy  и Sz, действующие на любой произвольно ориентированной элементарной площадке. Действительно, если обозначить косинусы углов между нормалью к площадке и осям координат через х; ; , то: Sx=

Sz= ;

Таким образом, тензор напряжений определяет напряжение в любой площадке, а значит, напряженное состояние. Напряжениям растяжения принято приписывать знак плюс, а напряжениям сжатия – знак минус.

Очевидно, существуют три взаимно – перпендикулярные площадки, по которым действуют только нормальные напряжения, называемые главными нормальными напряжениями. Главные нормальные напряжения обозначают:

σ1 – наибольшее; σ2 – среднее; σ3 – наименьшее.

Касательные напряжения, имеющие максимальную величину и действующие по плоскостям, проходящим через одну из главных осей и делящим угол между двумя другими главными осями пополам, называют главными касательными напряжениями и обозначают τ1 ,   τ2  и τ3.

Главные касательные напряжения равны полуразности соответствующих главных нормальных напряжений:

 

; ; ;

 

следовательно:

 

Плоскость, равнонаклоненную к главным осям называют октаэдрической; нормальное октаэдрическое напряжение равно:

 

.

Величину σ0 называют также гидростатическим давлением.

Напряженное состояние в какой-либо точке деформируемого тела может характеризоваться главными нормальными напряжениями и направлениями главных осей.

Можно выделить девять видов напряженного состояния: четыре объемных (трехосных), три плоских (двуосных) и два линейных (одноосных) (рис.5).

От схемы напряженного состояния зависят величины предельных пластических деформаций и удельных усилий деформирования.

Деформированное состояние в какой-нибудь точке характеризуется тремя главными деформациями (т.е. деформациями на площадках с отсутствием сдвигов) и тремя направлениями главных осей деформации ( т.е. осей, перпендикулярных этим площадкам).

Можно выделить три вида деформированного состояния (рис. 6).

Один и тот же вид напряженного состояния может сочетаться с различными видами деформированного состояния. Например, при операциях осадки и выдавливания схема напряженного состояния – трехосное одноименное сжатие (рис .5), а схемы деформированного состояния различны: одноосное сжатие с двухосновным растяжением и двухосное сжатие с одноосным растяжением. При схеме волочения деформированное состояние как при выдавливании, а напряженное – одноосное растяжение с двухосным сжатием. Схему напряженного и деформированного состояния называют механической схемой деформации.

 

1.1.7. Условия равновесия и пластичности.

Напряжения в теле, нагруженном внешними силами и находящимся в равновесии, являются непрерывными функциями координат. Выделив в напряженном теле элементарный параллелепипед с гранями, параллельными координатным плоскостям, определим условия, обеспечивающие его равновесие (рис. 4). Напряжения на двух параллельных гранях отличаются друг от друга на бесконечно малые величины, равные частным дифференциалам от компоненты напряжений. Учитывая, что усилия на каждой грани равны произведению соответствующих напряжений на площади этих граней и, приравняв суммы проекций всех сил на координатные оси нулю, получим дифференциальные уравнения равновесия в прямоугольной системе координат:

 

;

 

;

 

При решении некоторых задач удобно пользоваться цилиндрической системой координат (рис.7). Проектируя силы, приложенные к элементу с гранями dr    и dz углом между этими гранями dө на координатные оси и приравняв их к нулю, получим дифференциальные уравнения равновесия в цилиндрической системе координат:

;

 

 

;

 

;

 

На практике чаще бывают не столь общие случаи механических схем деформации; например при осадке, выдавливании, волочении, упоминавшихся выше – осесимметричные схемы, когда касательные напряжения в площадках ө отсутствуют.

В этом случае уравнение уравнения равновесия:

 

 

 

 

Но и в этом случае уравнения равновесия содержат больше неизвестных компонентов напряжений, чем число уравнений. Для решения уравнений необходимы дополнительные условия. Такими условиями могут служить соотношения между напряжениями и физической константой – сопротивлением металла деформированию, которые определяют наступление состояния пластического течения металла.

При одноосном линейном растяжении или сжатии пластическое течение наступает, когда главное напряжение достигает предела текучести. Если по мере увеличения деформации происходит предела текучести. Если по мере увеличения деформации происходит упрочнение, то величина напряжения, необходимого для дальнейшей деформации, увеличивается в соответствии с кривой упрочнения.

Однако процессы обработки металлов давлением обычно осуществляется в условиях сложного напряженного состояния. Поэтому большое значение имеет формулировка условий перехода деформируемого тела от упругого состояния к пластическому, так называемого условия пластичности.

Наиболее обоснованным является условие пластичности М. Губера и Р. Мизеса, физический смысл которого можно сформулировать следующим образом: количество удельной (приходящейся на единицу объема тела) энергии формоизменения при необратимой деформации является для данных условий (степень деформации, температура и скорость) величиной постоянной, не зависящей от напряженно-деформированного состояния, а зависящей только от свойств деформированного металла.

Это количество энергии равно полной удельной работе деформации за вычетом удельной энергии упругого изменения объема, которая при разгрузке возвращается в виде механической работы.

Математически это выражается в виде уравнения пластичности:

 

или

 (

Последнее уравнение – уравнение цилиндра, равнонаклоненного к осям ; ; .

При анализе процессов пластического деформирования часто используют приближенное уравнение пластичности:

 

,

Где   - переменный коэффициент, имеющий минимальное значение β = 1 при равенстве двух главных нормальных напряжений и максимальное значение 1,15 σs, когда одно из главных нормальных напряжений равно полусумме двух других (плоская деформация).

При  = 1 упрощенное уравнение пластичности соответствует условию пластичности постоянства максимальных касательных напряжений (условию пластичности Треска и Сен-Венана): пластическое состояние наступает, если какое-либо из главных касательных напряжений достигает величины напряжения текучести.

Из уравнений пластичности следует, что перемена знака главных напряжений или наложение гидростатического давления не влияет на условия, определяющие начало пластического течения.

При анализе процессов пластического деформирования используют целый ряд методов расчета. Одним из таких методов является метод совместного решения уравнений равновесия и пластичности (так называемый «инженерный» метод). Однако решение дифференциальных уравнений равновесия и уравнения пластичности в общем виде наталкивается на большие математические трудности; в связи с этим рекомендуется принимать упрощающие анализ допущения. Во – первых, надо стремиться напряженное состояние представить в виде осесимметричного, плоского или плоскодеформированного. Например, уравнения равновесия для осесимметричного плоского напряженного состояния сводятся к одному:

 

Во – вторых, условие пластичности записывают в главных напряжениях, т.е. напряжения на площадках, перпендикулярных координатным осям, считают главным (пренебрегая наличием касательных напряжений на этих площадках).

В третьих, касательные напряжения на контактной поверхности принимают или постоянными или пропорциональными нормальному давлению (т.е. подчиняющимися закону Кулона).

В качестве примера анализа процесса пластического деформирования рассмотрим пластическое деформирование толстостенной трубы действием равномерного внутреннего давления.

Напряженное состояние в этом случае осесимметричное (не зависящее от угла  ) и плоское (напряжение в осевом направлении     =0); напряжения   и σө - главные (давление равномерное и касательные напряжения на этих площадках отсутствуют). Поэтому уравнение равновесия принимаем в вышеприведенном виде, а условие пластичности запишем в виде:

 

.

 

Совместным решением двух уравнений получаем:

 

.

 

Найдя постоянную интегрирования из условия, что на внешней поверхности ( т.е. при ρ=D/2) , запишем:

 

 

 

 

При p=d/2 получим выражение для определения величины внутреннего давления, необходимой для пластического деформирования втулки, приняв при этом 1,1, так как рассматриваем и плоскодеформированное ( =0) и плосконапряженное состояние:

 

- 1,1

 

Из полученной формулы (Ламе) следует, что у длинной втулки внутренним давлением можно увеличить внешний диаметр, если он превышает внутренний приближенно не более, чем в три раза.

 

1.1.8. Определение удельных сил осевого сжатия цилиндрической заготовки.

Рассматриваем часто встречающийся процесс пластического деформирования цилиндрической заготовки приложением осевой сжимающей силы (называемый осадкой). Пластической деформацией при этом охвачен весь объем заготовки, высота которой уменьшается при увеличении ее диаметра.

При анализе принимаем, что касательные напряжения на контакте с инструментом равны .  ( - коэффициент трения) и в теле заготовки они изменяются по линейному закону.

Рассматриваем равновесия элемента в цилиндрической системе координат (рис.8), уравнения равновесия в этом случае имеют вид:

 

 

так как      вследствие осевой симметрии при осадке.

Деформации р и   можно выразить через величину перемещения  (рис.8):

;

 

Подставив эти выражения в условия постоянства объема:  и решая дифференциальное уравнение относительно             получаем:

 

; ;  При р=0 ; ; с=0;

 

 

Тогда:  и

 

 

Из физических уравнений связей между напряжениями и деформациями следует, что при равенстве деформаций   равны и соответствующие напряжения     т.к.     (подобие кругов Мора).

Из схемы напряженного состояния      поэтому условие пластичности:

 

 

Продифференцировав по , получим:

 

 

 

Из принятого линейного закона распределения по высоте следует:

 

 

 и

 

Тогда уравнение равновесия можно записать:

 

, или ;

 

т.к. σz  является функцией только ρ и не зависят от координаты z.

Решая дифференциальное уравнение с учетом отрицательного значения (направленного в противоположном направлении оси):

 

.

 

При ,     и из уравнения пластичности , поэтому:

 

С= - .

 

Определяем удельное деформирующее усилие:

 

 

q=

 

q=

 

 

Из полученной формулы (т.н. формулы Зибеля) очевидно, что величина относительного удельного усилия q/  увеличивается с увеличением коэффициента и уменьшением относительной высоты заготовки (рис. 9а).

 

1.2. Операции восстановления деталей перемещением металла на изношенные поверхности.

 

1.2.1. Осадка

При осадке восстанавливают детали с изношенной боковой поверхностью приложением осевой сжимающей силы за счет уменьшения размера по высоте детали. Операция «осадка» широко используется в технологии изготовления деталей и заготовок пластическим деформированием, однако ее применение для восстановления деталей имеет ряд особенностей, присущих и другим операциям восстановления.

При восстановлении цилиндрических деталей за счет уменьшения их высоты Н на величину ∆ Н увеличивают их диаметр D на величину необходимого приращения δ приложением к торцу давления q (табл.2 раздаточного материала). Например, при восстановлении круглого штыря для модельных плит диаметр изношенной детали 34, 4 мм увеличивают до диаметра 35,2 ± 0,1 мм. Из условия постоянства объема можно выразить необходимую степень деформации:

 

, где -  относительное приращение на сторону.

 

В рассматриваемом примере степень деформации   = 3,8 %. Из статистики восстанавливаемых деталей известно, что, например, в двигателестроении 95% из их числа отбраковывают при износах, не превышающих 0,3 мм. Поэтому приведенная степень деформации близка к верхней границе реально используемых и, действительно, степени деформации при восстановлении деталей значительно менее 10% (т.е. безусловно, относятся к малым деформациям). Это важно еще и потому, что уменьшение высоты детали сопровождается уменьшением опорной площади боковой поверхности.

Можно подсчитать, что уменьшение опорной поверхности реально не превышает 2%, а «прочнисты» для ответственных деталей допускают это уменьшение до 8%.

В приведенном примере диаметр штыря увеличивают до 35,2 мм, а деталь должна иметь номинальный диаметр 34,85-0,05мм, т.е. 0,175 мм – припуск на сторону. Чаще всего после восстановления получают не деталь, а ремонтную заготовку. При осадке основная причина этого – неравномерная деформация из-за наличия трения на торцах заготовки и инструмента.

Осевая сжимающая нагрузка должна была бы вызывать линейное однородное напряженное состояние и однородную деформацию сжатия. Однако наличие трения на контактных с инструментом поверхностях приводит к неоднородности деформаций, образованию «бочкообразной» боковой поверхности. Степень неоднородности деформированного состояния можно оценить предложенным Е.П. Унксовым коффициентом:

 

,

где     - диаметр заготовки на ее торцах;

     - начальный диаметр заготовки;

  - диаметр идеальной цилиндрической заготовки после деформации (без трения).

Очевидно, что коэффициент   =0 при отсутствии трения на торцах заготовки, когда   =  ; максимальное значение коэффициента  =1, если течение металла на торцах заготовки при ее деформации полностью отсутствует и «бочкообразность» заготовки максимальная.

При определении степени деформации, необходимой для увеличения диаметра на заданную величину , нужно учитывать неравномерность деформации. Из условия постоянства объема и формулы для определения коэффициента   можно вывести зависимость для определения необходимой степени деформации:

 

 

 

Реальные значения коэффициента неравномерности деформации    находятся в пределах 0,1…0,7 (на основании экспериментальных данных, см. рис.9). Из графической зависимости    от параметров  и    при их реальных значениях видно, что значения деформации по высоте не превышают нескольких процентов также, как и увеличение деформации из-за учета ее неравномерности.

Хотя увеличение степени деформации ε от коэффициента   не велико, надо иметь в виду, что неоднородность деформации вызывает и неоднородность свойств в детали. Поэтому иногда стремятся уменьшить коэффициент трения на торцах применением различного рода смазок, вытачиванием концентрических канавок для задержки смазки на торцах детали, использованием тонких прокладок из мягкого металла и др.

Неравномерность деформации другого рода может возникнуть при осадке за счет потери устойчивости (изгиба) детали, которая происходит, когда относительная высота      превышает критическую величину . Эта величина зависит от эксцентриситета сжимающей силы (который в той или иной степени есть всегда), геометрической точности детали и инструмента и от модуля упрочнения материала n. Известна эмпирическая формула:  (к – коэффициент). В промышленных условиях величина  = 1,7 – 3,0, т.к. влияющие на нее вышеприведенные факторы меняются в широких пределах.

В то же время большое количество восстанавливаемых деталей типа осей, пальцев, валов имеют относительную высоту больше . Например, шарнирный палец компрессора тепловозного двигателя из стали 45; НRC = 50 (поэтому предварительно проводили отжиг), диаметр пальца – 45 мм, высота 180 мим, компенсируемый износ – 0,5 мм на диаметр плюс припуск – 0, 3 мм. Легко подсчитать, что степень деформации при восстановлении этой детали меньше 4%, потеря опорной поверхности 1,8 %, но   = 4. Осадку таких деталей можно выполнять только в штампах с подпором, предотвращающим потерю устойчивости восстанавливаемой детали. В приведенном примере это – стальные секторы, опирающиеся на эластичную прокладку в цилиндрической обойме. Известны также штампы, в которых поддерживающие элементы выполнены в виде раздвигающихся клиновых сегментов (рис. 10). Основной рассчитываемый конструктивный параметр такого штампа – величина угла клина b, задающая необходимое усилие подпора. При определении величины угла b и последующем изготовлении штампа строго регламентируются посадки и шероховатости опорных поверхностей клинового механизма, их твердость. Такие штампы сложны в изготовлении и относительно дороги.

Осадкой восстанавливают не только сплошные, но и полые детали типа втулок, полых осей и др. Рассчитать в этом случае распределение деформации на внешнем и внутреннем диаметре сложно из-за зависимости этого распределения от очень многих факторов: соотношения высота и диаметра, диаметров между собой, условий на контакте, свойств материала. Полые детали чаще восстанавливают в инструменте, ограничивающем перемещение металла; особенно детали типа втулок со шпоночными канавками или прорезями, буртами и днищами. Например, для восстановления осадкой внутреннего изношенного диаметра втулки 3 (рис. 11) в нее вставляют калиброванный палец 2 диаметром, меньшим внутреннего диаметра втулки на величину компенсации износа и припуска на обработку отверстия после деформирования. Затем втулку 3 вместе с пальцем 2 устанавливают в кольцо 4 и опоры 1 и 5. При осадке на прессе металл заполняет зазор между пальцем и изношенной поверхностью.

Деформирование чаще выполняют в условиях холодной деформации, что позволяет принимать меньшую величину припуска, сохранять хорошую шероховатость поверхности и восстанавливать более высокие детали из-за меньшей опасности потери устойчивости. Но при большом износе и с целью уменьшения потребной деформирующей силы могут восстанавливать и с предварительным нагревом детали. Так, например, известен процесс восстановления полых осей (пальцев) звеньев гусениц и пластинчатых цепей, при котором один из пальцев разрезают на кольца расчетной высоты и приваривают их стыковой сваркой к восстанавливаемому пальцу. Затем эту сварную заготовку нагревают и укладывают в нижнюю половину штампа, прижимают верхней половиной, вводят в отверстие оправки и осаживают в торец с двух сторон.

Осадка в закрытых штампах, когда металла полностью заполняет замкнутую полость, имеет особенности. Поскольку течение металла ограничено стенками штампа, размер восстановленной детали целиком соответствует размерам инструмента, точность может быть получена выше, чем при свободной осадке. В этом случае можно получить не ремонтную заготовку, а готовую деталь. Например, восстанавливали втулку верхней головки шатуна двигателя автобуса «Икарус» из алюминиевого сплава. Высота втулки 42 мм; номинальный внутренний диаметр – 45,05 ± 0,025мм; износ – 0,15 ¸0,22 мм; после осадки на оправке получают размер – 45.05 ¸45,055.

Особенно примечательно в отношении получения именно детали то, что для получения точности внутреннего диаметра по высоте оправка имеет не цилиндрическую, а фасонную поверхность, чтобы компенсировать разную упругую деформацию по высоте (на краях она больше).

Другая особенность осадки в закрытом штампе касается расчета необходимой деформирующей силы. Давление и силу свободной осадки рассчитывают по формуле Зибеля, вводя при необходимости эмпирические коэффициенты, учитывающие условия деформирования. Но при осадке в закрытой полости потребная деформирующая сила может быть значительно больше, т.к. определяется необходимостью заполнения углов, чему препятствуют значительные силы трения, Известны формулы из теории штамповки в закрытых штампах, носящие в основном эмпирический характер и отличающиеся большой громоздкостью.

Иногда осадка имеет своей задачей не увеличение поперечного размера для восстановления детали, а именно заполнение угла и образование достаточно острой кромки. Это имеет место при восстановлении ножей промышленных мясорубок с затупленными режущими кромками. За счет уменьшения толщины и перемещения металла из тыловой части ножей происходит заполнение угла (900) у режущей части.

Приведенные примеры не охватывают все разновидности процессов восстановления деталей осадкой. В литературе упоминается осадка на части восстанавливаемой детали (высадка); осадка для восстановления конической поверхности (шаровые пальцы рулевой тяги); осадка с одновременным контактным нагревом при восстановлении сильно изношенной средней части детали и др.

1.2.2. Раздача.

Наиболее широко при восстановлении полых деталей применяется операция – раздача (таблица 2) , при которой увеличиваются наружные размеры за счет увеличение размеров полости. Давление, необходимое для этого подсчитывают по формулам на основе формулы Ламе, вывод которой рассматривали выше:

 

q=1,15

Очевидно, что при отношении    (точно 2,963) пластическая деформация по всему сечению становится невозможной, а происходит только на внутреннем поверхностном слое.

Схемы приложения внутреннего давления могут быть разные. Раздача может производиться в специальном приспособлении, имеющим вид клинового штампа с расходящимися секторами. Чтобы распределить давление равномерно и исключить искажения внутреннего отверстия, число секторов должно быть достаточно большим (например, 12 и более).

Чаще восстановление деталей раздачей производят по схеме так называемого объемного дорнования. В этом случае пластическое деформирование производят путем проталкивания инструмента в виде стальных или твердосплавных дорнов, прошивок, шаров (рис.12) через внутреннее отверстие детали. Объемное дорнование может быть свободным (рис. 12а) и несвободным (рис. 12б), когда деформирование наружной поверхности ограничено жесткой обоймой.

При дорновании происходит увеличение внутреннего и наружного диаметров с одновременным уменьшением толщины стенки и возможным уменьшением высоты.

Основные технологические параметры процесса: натяг дорнования - разность между диаметром деформирующего инструмента и диаметром полости, контактирующей с ним

 

i=dд-d;

 

относительный натяг дорнования – отношение натяга дорнования к диаметру полости

 

 

относительная деформация при дорновании – отношение разности диаметров наружной поверхности детали после раздачи и до нее к исходному наружному диаметру

 

 

Во избежание разрушения детали максимальную относительную деформацию не рекомендуется принимать более 0,05…0,06. В этом случае значение максимального относительного натяга можно считать зависящим только от отношения наружного и внутреннего диаметров m=D/d (рис. 13)

Оптимальный угол конуса дорна a возрастает с увеличением натяга и толщины стенки; его величина лежит в пределах 40...70.

В процессе дорнования макрогеометрические искажения отверстия детали переносятся на ее наружную поверхность, что может ухудшить точность наружного диаметра. Чем больше колебания размеров отверстия, тем больше благодаря дорнованию уменьшаются погрешности толщины стенки детали.

Впереди дорна образуется пластическая волна, увеличивающая площадь контакта металла с инструментом и, следовательно, силу трения на контакте. Дорнование без смазочного материала вследствие молекулярного сцепления между обрабатываемой деталью и инструментом вызывает налипание металла на инструмент и может привести к заклиниванию дорна в отверстии. Применением смазок с поверхностно активными веществами коэффициент трения при холодном дорновании снижают до 0,04…0,12.

При выборе величины натяга, необходимой для обеспечения требуемого увеличения наружного диаметра, нужно учитывать, что его величина меньше приращения на удвоенную величину утолщения стенки, т.е. диаметр дорна:

 

 

 , где

- абсолютное утонение стенки, которое увеличивается с увеличением натяга (рис. 14). При величинах натяга, реально используемых при восстановлении деталей, уменьшение толщины стенки составляет примерно 1%.

Величина относительной деформации дорнования равна 0,007…0,02, т.е. как и при восстановлении осадкой лежит в области малых деформаций.

Сила дорнования необходима не только для преодоления сопротивления металла деформированию, но и для преодоления сил трения на контакте инструмента и детали. Таким образом, эта сила должна зависеть: от материала; относительной толщины m=D/d; натяга; коэффициента трения; угла конусности дорна и от размеров детали. Известна формула для определения давления на контакте с инструментом:

рк= , где

 

тогда полная сила дорнования:

 

 

 

 - ширина ленточки дорна;

 - коэффициент трения;

- угол конусности дорна.

 

На ремонтных предприятиях холодной раздачей восстанавливали поршневые пальцы, трубы рулевой колонки, цилиндры амортизаторов и др. С нагревом существует известный процесс восстановления крестовин карданных валов, при котором раздачу шипов крестовины осуществляют твердосплавным цилиндрическим дорном с конической заходной частью, совершающим кроме поступательного и вращательное движение. При вращении вследствие действия сил трения на контакте дорна с деталью выделяется тепло, нагревая шип до 950-10000С. При такой схеме дорнования в отличие от других не происходит укорочение детали (наоборот происходит небольшое удлинение); процесс отличается высокой производительностью, малым потреблением энергии, высокой экономической эффективностью.

Раздачу втулок (например, поршневых пальцев карбюраторных двигателей) с относительно большой толщиной стенок производят на электрогидравлических установках. Сущность электрогидравлической раздачи в том, что внутри детали создаются импульсные высокие давления при прохождении высоковольтного разряда в жидкости. Для того, чтобы электрический разряд проходил вдоль оси детали, в ее внутреннюю полость устанавливают полиэтиленовый разовый патрон 2 (рис. 15). В полость патрона помещается алюминиевая проволока 3 для создания цилиндрической ударной волны; деталь 4 вместе с патроном устанавливают в технологический узел, подают в полость воду и подводят к подвижному электроду 1. После замыкания электрической цепи на электроды разряжаются высоковольтные конденсаторные батареи 5; в результате импульсного электрического разряда возникает ударная волна, которая раздает палец со скоростью до 200 м/с. Импульсный характер нагрузки позволяет деформировать детали с пониженной пластичностью без образования микротрещин и без поверхностного упрочнения. Электрогидравлической раздачей удается получить приращения наружного диаметра поршневых пальцев до 0, 2 мм.

Расчет параметров электрогидравлической установки, мощности разряда, выбор номера разового патрона ПЭВ (патрон электровзрывной) можно осуществлять на базе методик, используемых для широко распространенного процесса развальцовки труб в трубных решетках теплообменников.

 

1.2.3. Обжатие.

Операция восстановления внутренних поверхностей деталей за счет уменьшения внешних размеров – обжатие (табл.2) противоположна по назначению раздаче и во многом аналогична ей.

Механическое обжатие производят проталкиванием детали 2 пуансоном 1 через отверстие матрицы 3 (рис.16), поэтому напряженное состояние в очаге деформации – всестороннее неравномерное сжатие. В недеформированной части заготовки действуют осевые сжимающие напряжения, которые также как при осадке могут привести к потере устойчивости и изгибу недеформированной части восстанавливаемой детали. Осевые сжимающие напряжения растут при прочих равных условиях с ростом величины натяга – разницы внешнего диаметра восстанавливаемой детали и диаметра отверстия матрицы. Таким образом, предельная величина степени деформации определяется не разрушением заготовки, а потерей ее устойчивости. Считают, что при относительных толщинах стенки S/D > 0,02, критическое напряжение, при котором происходит потеря устойчивости .Следовательно, при реально используемых размерах восстанавливаемых деталей опасности потери устойчивости практически нет

Матрица для обжатия обычно состоит из трех частей: приемной части, обжимающей и калибрующей. Оптимальный угол конусности обжимающей части лежит в пределах 15…200. Внутреннюю поверхность матрицы для уменьшения коэффициента трения обрабатывают до высокой степени шероховатости и используют различные смазки.

Поскольку при обжатии толщина (как и длина) увеличивается, диаметр матрицы определяют:

 

, где

 

 

- наружный диаметр изношенной детали;

- разность между размером внутренней поверхности до и после обжатия (на сторону);

- утолщение стенки, определяемое по формуле:

 

 

,

что фактически дает ту же величину, что и утонение при раздаче.

Необходимая для обжима деформирующая сила зависит от тех же факторов, что и при раздаче; некоторые источники предлагают определять давление обжатия так же, как при раздаче, на основе формулы Ламе. В литературе предлагаются и другие формулы, например:

 

,

 

(обозначения см. табл.2)

 

1.2.4. Операции термопластического деформирования.

 

Термопластическое деформирование происходит под действием термических сжимающих напряжений, превышающих предел текучести материала. Механизм этого процесса можно пояснить простым примером: если стальной стержень зажать с торцов между жесткими упорами, исключив возможность его перемещения, а затем нагреть до высокой температуры (≈9000С), в стержне за счет его стремления к тепловому расширению возникают сжимающие напряжения. Если эти сжимающие напряжения превысят постоянную пластичности материала, происходит пластическая деформация стержня. После охлаждения пластически деформированный стержень сокращает свою длину и выпадает из упоров.

Термическими напряжениями нельзя достичь больших пластических деформаций, однако необходимые для восстановления деталей малые деформации обеспечиваются. Давно на практике использовали процесс восстановления посадочных отверстий в стальных и чугунных массивных деталях интенсивным местным нагревом внутренней поверхности отверстия. Основная масса холодной поверхности детали препятствует тепловому расширению внутренних слоев металла в которых возникают сжимающие термические напряжения, превышающие предел упругости материала. После полного охлаждения диаметр отверстия получается меньше начального, например, при восстановлении внутреннего диаметра стального маховика – 250 мм его уменьшение составляет 0,7-0,75 мм.

В настоящее время в термопластическом деформировании используют две операции – раздачу и обжатие.

При гидротермической раздаче (рис.17) деталь – втулку нагревают ( в индукторе) до температуры 840…8600С, зажимают по торцам и подают внутрь с помощью спреера воду. Охлаждение внутренней поверхности происходит с очень высокой скоростью (1600…1800 ). Стремясь к интенсивному сокращению, внутренние слои металла создают во внешних, нагретых слоях сжимающие напряжения выше предела упругости. На этой первой стадии на внутренней поверхности растягивающие напряжения, на внешней – сжимающие (вызывающие ее пластическую деформацию). На второй стадии при охлаждении всей детали на внешней действуют растягивающие остаточные напряжения, а на внутренней – сжимающие.

Величина деформации наружного диаметра зависит от относительной толщины стенки детали, свойств материала (коэффициента теплового расширения), интенсивности охлаждения детали (перепада температур между внутренней и наружной поверхностью). Экспериментальная зависимость (рис.20) величины относительной деформации наружного диаметра δ от относительной толщины стенки:

 

b = (D-d)/D,

 

где D и d – соответственно наружный и внутренний диаметр втулки, показывает, что с увеличением относительной толщины стенки приращение наружного диаметра уменьшается.

Для обеспечения равномерной по длине деформации (отсутствия так называемой «седлообразности») важно обеспечить равномерное по длине детали охлаждение без большего охлаждения концов.

Процесс восстановления термогидравлической раздачей широко применяется для поршневых пальцев дизельных двигателей из стали 12ХНЗА, у которых коэффициент b изменяется в пределах 0,3…0,5. Увеличение наружного диаметра пальца составляет 0,12…0,22 мм (у разных типоразмеров).

Термопластическое обжатие для восстановления (уменьшения) внутреннего диаметра втулок реализуется по разным схемам (рис. 18 а,б) но во всех случаях нагрев втулки происходит в условиях ограничения деформации на внешнем диаметре либо охлаждаемой матрицей, либо охлаждаемыми внешними слоями металла самой детали. Например, при восстановлении гильз цилиндров двигателя изношенную гильзу помещают в водоохлаждаемую матрицу  и токами высокой частоты нагревают деталь до температуры 840…8800С. При нагреве втулка стремится расшириться, но по наружному диаметру ее расширение ограничено жесткой охлаждаемой матрицей. Поэтому по мере нагрева в металле развиваются напряжения, которые, достигнув определенной величины, вызывают пластическую деформацию. При охлаждении и наружный, и внутренний диаметры уменьшаются, т.е. происходит обжатие втулки. Степень обжатия зависит от отношения наружного диаметра к внутреннему, материала детали, интенсивности и равномерности нагрева.

По другой схеме гильзу устанавливают на стол установки, опускающийся вниз, и непрерывно – последовательно нагревают индуктором до температуры 740-7600С и охлаждают водой установленным за ним спрейером. Для большей равномерности нагрева стол, опускаясь, вращается. Скорость перемещения стола порядка 2 мм/с (при этом обеспечивается скорость охлаждения 200-300 о/с). При превышении скорости и температуры на внешней поверхности гильзы возможно образование трещин (из-за образования мартенситной структуры). На чугунных гильзах внешним диаметром 130 мм, толщиной стенки – 9 мм, высотой – 287 мм наибольшая величина деформации в окружном направлении составляет 0,9 … 1 мм.

Были созданы автоматизированные установки для восстановления гильз цилиндров двигателей и эта технология была внедрена на шести заводах страны, было восстановлено несколько десятков тысяч гильз.

Важная особенность термопластического деформирования – совмещение пластического деформирования с фазовыми превращениями в металле. Эти превращения могут сопровождаться изменением объема и сказываться, таким образом, на картину распределения напряжений. Так, увеличение объема металла происходит в цементованном наружном слое поршневых пальцев из-за образования мартенсита из переохлажденного аустенита. Это вызывает значительные остаточные напряжения сжатия на наружной цилиндрической поверхности поршневых пальцев (до 400 МПа)

При термопластическом обжиме чугунных гильз зерно и включения графита дробятся и приобретают ориентацию поперек стенки гильзы цилиндра. Пластинчатый графит изменяет форму на вермикулярный. Это повышает износостойкость восстановленных гильз по сравнению с новыми на 30-50%.

 

1.2.5. Вдавливание.

Во многих случаях в деталях изнашиваются и требуют восстановления локальные поверхности, значительно меньшие габаритов детали. Очевидно такие поверхности целесообразно восстанавливать направленным перемещением металла от локального внедрения инструмента или вдавливанием инструмента. При вдавливании клинообразного инструмента (рис. табл. 2) металл может перемещаться в сторону свободной поверхности и навстречу движению инструмента (образуя около него валик).

Причем с увеличением расстояния a от угла деформация в большей степени происходит навстречу инструменту и в меньшей – на свободную поверхность. В литературе встречается определения, согласно которому при a¤r < 5 абсолютно преобладает деформация в сторону свободной поверхности и именно это называют операцией «вдавливанием»; при a¤r > 5 металла практически полностью течет навстречу движению клина, что характерно для операции – накатка. Но эта граница очень условна и кроме всего прочего зависит от формы инструмента.

Инструмент для вдавливания может иметь разную форму, в литературе приводят примеры восстановления шлицев продольным вдавливанием ролика и восстановления шестерен вдавливанием кольцевого пуансона клиновидных сечений (рис. 21). Но большая часть всех восстанавливаемых поверхностей – так называемые «малые» отверстия, диаметр которых значительно меньше габаритных размеров детали и близок по величине к высоте отверстия. Поэтому технологию восстановления вдавливанием можно рассмотреть применительно к восстановлению отверстия кольцевыми пуансонами (рис. табл.2). Такие отверстия могут быть под болты, шпильки, штифты и пр. в дисках, ступицах муфт, торцевых крышках и т.п.

С первого взгляда на схему восстановления вдавливанием обращают на себя внимание факты, ставящие по сомнение целесообразность этого способа восстановления. Во-первых, неравномерность деформаций по высоте; во-вторых «порча» свободной поверхности и степень допустимости этой «порчи» с учетом необходимости полностью компенсировать утраченный объем.

Эксперименты по вдавливанию пуансонов разной формы (клиновидной и торрообразной ) на разном расстоянии от края свинцовых образцов, анализ методов конечных элементов, проведенные студентами МГТУ, а также анализ на основе компьютерной программы «QFORM», известный из литературы, показали, что большую равномерность деформации по высоте обеспечивают пуансона торроидальной формы или с сечением в виде равнобедренной трапеции. Оптимальное расстояние от края – 2…3 толщины пуансона. Характер распределения деформации по высоте отверстия при таком расстоянии и форме пуансона несколько отличен в разных источниках, но приближенно имеет характер, показанный на рис.22; на глубине, равной шести глубинам внедрения пуансона, отличие в величине деформации не превышает 1,5.

Глубину внедрения пуансона, необходимую для компенсации утраченного объема, можно определить из геометрических соотношений, приравняв смещенные объемы канавки и кольца толщиной в припуск δ и высотой отверстия (при условии перехода всего металла на внутреннюю поверхность отверстия). Из-за неравномерности деформации для обеспечения той же величины минимального приращения поверхности δ вдавливаемая канавка должна быть больше. Если аппроксимировать распределение реальной деформации по половине высоты отверстия линейной зависимостью, можно ввести поправочный коэффициент η, определяемый как отношение всего смешенного объема к объему кольца толщиной δ и высотой Н (рис. табл. 2). Аналитическая зависимость η от относительной неоднородности деформации позволяет получить реальное значение коэффициента η. При максимальном отличии в величине деформации и практически максимальном износе отверстия 0,3 мм на сторону коэффициент η≈1,4. Радиус и глубину внедрения пуансона r можно определить по рассчитанной зависимости r/н от относительного изменения диаметра отверстия Δ¤D (рис. 23), из которой видно, что r реально не превышает 0,15 Н.

Нужный размер канавки задается штампом, конструкция которого, учитывая ограниченную повторяемость восстанавливаемых отверстий, должна быть относительно простой. В литературе приводится технология восстановления отверстий под заклепки в ступице муфты сцепления двигателя целиком в одном штампе одновременно с центральным шлицевым отверстием. Конструкция штампа в этом случае сложная, штамп дорогой и требует для своей окупаемости достаточно много восстанавливаемых деталей. Кроме того, размер ступицы около 220 мм, а рассматриваемые «малые» отверстия чаще на деталях со значительно большими габаритами. Поэтому неизбежно приходим к идее поочередного восстановления отверстий с помощью штампа, в котором кольцевой пуансон, вдавливаемый в деталь с одной стороны (рис. 24), центрируется по отверстию с помощью утапливаемого ловителя – оправки. Такой штамп может устанавливаться на деталь непосредственно; конструкция его проста и допускает восстановление отверстий в небольшом диапазоне размеров.

В приводимом выше примере восстановления ступицы целиком в одном штампе деформирование осуществляли с предварительным нагревом. А нагрев больших деталей затруднителен, и при последовательной установке штампа деталь будет остывать (требуются манипуляции и со штампом, и с деталью). Существенно улучшить перспективы восстановления отверстий пластическим деформированием может применение холодного вдавливания. Однако это сдерживают прежде всего значительные контактные давления на инструмент (проблема его стойкости) и опасность образования трещин на свободных поверхностях у малопластичных материалов деталей.

Допустимыми контактными давлениями, при которых достигается экономическая стойкость инструмента, при холодной штамповке считают давления 2200…2800 МПа (в зависимости от схемы деформирования). С другой стороны холодное вдавливание при восстановлении отверстий по схеме деформирования ближе всего к выдавливанию полостей инструмента мастер- пуансоном, при котором его достаточная прочность обеспечивается при удельных силах 3500…4300 МПа. Вдавливание мастер- пуансоном производят в заготовки из сталей с высоким сопротивлением деформированию и начальной твердостью до НВ180, но относительная глубина полости при этом до 1,5 (max до 2). Особенность штампов, определяющая их предельную прочность – небольшая относительная высота свободной рабочей части в конце рабочего хода. Таким образом возможности восстановления отверстий холодным вдавливанием шире, чем при холодной штамповке вообще. Кроме того, как уже упоминалось, «малые» отверстия характерны для массивных деталей (маховиков, ступиц, дисков), которые чаще при их изготовлении не закаливают. В тоже время при вдавливании в свободную поверхность происходит упрочнение и поверхности отверстия, поскольку холодная пластическая деформация распространяется и на нее. В литературе приводится пример, когда вокруг отверстия с целью его упрочнения по окружности вдавливают шарик.

Силу вдавливания можно определять по формулам,  приводимым в литературе по изготовлению полостей инструмента мастер-пуансоном. В этих формулах удельная сила вдавливания прямо пропорциональна начальной твердости материала по Бринеллю и опытным коэффициентам, учитывающим форму пуансона. Очевидно это имеет основание, учитывая реальное сходство процесса вдавливания пуансона и шарика при испытаниях по Бринеллю.

При ремонте и восстановлении возможны случаи, когда материал детали, а тем более его свойства неизвестны , и реально можно определить только твердость. Учитывая это, а также то, что определение механических свойств металла по твердости исследовано с высокой степенью достоверности, можно предложить методику, позволяющую просто и наглядно определить давление на пуансон. Построив по таблицам твердости кривую 1 (рис.25) – зависимость НВ и показателя деформации d¤D, и учитывая хорошо известную зависимость истинного временного сопротивления от твердости по Бринеллю σs= 0,383 НВ (для сталей), накладываем на координаты НВ - d¤D, кривые упрочнения для сталей в координатах  σs и относительная деформация ψ. Точка пересечения каждой кривой упрочнения с кривой 1 показывает величину истинную сопротивления деформированию при вдавливании индентора на величину, соответствующую данному значению твердости. Замерив твердость детали с отверстиями, подлежащими восстановлению, можно по точке на кривой 1 аппроксимировать кривую упрочнения материала с достаточной степенью точности. По этой кривой упрочнения можно найти величину напряжения текучести соответствующую необходимой для восстановления отверстия величине вдавливания пуансона. Например, ступица или диск из стали 40Х после закалки и отпуска имеют твердость НВ 250, тогда при вдавливании пуансона на глубину, равную 0,8 от его ширины, напряжение текучести для расчета деформирующей силы можно принять равным 1200 МПа. Таким образом, для реальных деталей и величин износа мало вероятно превышение удельных сил на инструмент допустимых значений.

Другой фактор, сдерживающий применение холодного вдавливания, - опасность образования трещин на восстанавливаемых деталях вследствие пониженной пластичности – можно уменьшить смягчением схемы напряженного состояния. Это достигается соответствующей конструкцией инструмента (пуансон более притупленный) и использованием прижимов. В приведенной выше конструкции простого штампа для восстановления отверстий вдавливанием подпор металла можно регулировать не прижимом, а устанавливаемым ловителем 3 (рис. 26) меняя, например, угол его конусности.

Приведенные на примере восстановления «малых» отверстий особенности технологии восстановления вдавливанием можно отнести и к другим деталям и поверхностям. Так в литературе упоминается процесс восстановления деталей типа различных кулаков с изнашиваемой внешней поверхностью, анпример, разжимной кулак передних и задних тормозов автомобиля «КамАЗ»

 

1.2.6. Накатка

Для накатки характерно течение металла навстречу внедренному в него инструменту с образованием в результате рифленой поверхности (рис. табл. 2). За счет этого можно увеличить наружный или уменьшить внутренний диаметр деталей с одновременным снижением соответствующей опорной поверхности.

Допустимой считают потерю опорной поверхности, не превышающей половины всей восстанавливаемой поверхности детали. Таким образом, если определить высоту подъема металла h (рис. 26) , как сумму износа детали на сторону и глубины внедрения накатника, это условие допустимой потери опорной поверхности можно записать:

 

 

Где   d и  - начальные диаметр и длина детали соответственно;

 γ - половина угла при вершине клинового инструмента;

n =  /t - число шагов на длине детали.

 

Из этого неравенства можно определить величину шага выступов:

 

.

 

Из условия стойкости инструменты используют угол заострения клина 2 γ = 60…700. Шаг зубьев при использовании накатных зубчатых роликов чаще 1,5…1,8 мм. Если подставить значение тангенса типичного угла клина: h ≤0,9t т.е. чаще h ≤ 1,35…1,65 мм

 

В сравнении с гладкими поверхностями износостойкость восстанавливаемых накатыванием поверхностей снижается на 20…25%\ Накатку применяют для восстановления поверхностей деталей (в основном посадочных мест под подшипники качения), воспринимающих удельную нагрузку до 7 МПа. Вместе с тем нужно отметить простоту технологического процесса восстановления деталей накаткой, его малую трудоемкость и высокую эффективность, простоту инструмента и оборудования (зачастую используют токарный станок и зубчатый ролик на оправке, закрепленный в суппорте станка). Ручной, слесарный разновидностью накатки можно считать процесс накернивания изношенных посадочных мест валов под подшипники качения.

На практике чаще накатку выполняют в холодном состоянии, что в первую очередь определяется свойствами восстанавливаемой детали. Так, холодное  накатывание применяют только для деталей с твердостью до ≈ НВ 270.

Горячая накатка используется при так называемом электромеханическом способе, сущность которого заключается в том, что к детали, закрепленной во вращающихся центрах, и к клиновидному накаткнику, закрепленному в суппорте, подводится ток большой силы (300…1000А). В результате на контакте твердосплавного инструмента с деталью происходит нагрев металла до температуры 800…10000С, что позволяет получить приращение диаметра детали до 1,3 мм.

Деформирующую силу при накатке можно определить по формуле на единицу длины

 

 

или с учетом реальных значений величин можно считать давление накатки:

q @ 0,5 σв

 

Очевидно, что такое давление может приводит к деформированию оси детали или смятию полой детали. Для уменьшения силы накатки можно уменьшать угол клина накатника, но это может приводить к образованию трещин в его основании, нарушению сплошности металла, т.е.е к процессу, близкому к обработке металлов резанием.

 

 

1.2.7. Деформирующее резание

Деформирующее резание или подрезание с отгибом – процесс несущий в себе признаки и обработки резанием и пластического деформирования. Суть метода в том, что с помощью резца металл подрезается его главной режущей кромкой, а вспомогательная режущая кромка (не участвуя в процессе резания, как у обычных резцов) отгибает деформирует подрезанный слой. Это достигается значением передних углов на вспомогательной кромке менее 500. Стружка своей узкой стороной остается прикрепленной к детали и ее можно отогнуть под разными углами (рис.27).

На поверхности детали образуется развитый макрорельеф (рис.28,29) в виде оребрения. Параметры оребрения и сама возможность процесса зависят от пластичности обрабатываемого материала, соотношения глубины резания и подачи.

Для материалов с δ > 30 % (главным образом это цветные металлы) высота ребер может составлять h = 7t; для материалов с δ = 20…30% (большинство сталей) максимальная высота ребер h = (3…5) t; материалы с < 18% не поддаются обработке деформирующим резанием (без подогрева детали). Твердость материала детали не должна превышать 220 НВ.

Диапазон шагов оребрения t = 20 мкм…2 мм. В зависимости от соотношения углов резца в плане: основного и вспомогательного можно получать разный наклон ребер. Типичный профиль оребрения на сталях с вертикальным расположением ребер получается при φ = 900. При равенстве углов φ = φ½ возможно получение макрорельефа с В = о ( рис. табл. 2). Уменьшение уменьшает толщину ребра и увеличивает ширину канавки В.

Увеличение наружного размера на стальных деталях реально до 0,8 мм на диаметр при вертикальном расположении рёбер. При открытой регулярной пористости опорная поверхность теряется примерно на 30% ( а не на 50%, как при накатке). Вместе с тем несущая способность поверхности повышается за счет существенного повышения твердости ребер при их пластическим деформировании. Кроме того, форма ребер способствует хорошему удержанию наполнителей и твердых смазок. Наполнителями чаще служат ремонтные составы: метало – или керамиконаполненные компаунды. Ремонтные составы используются только для заполнения межреберного зазора, а размер обеспечивается ребрами, по вершинам которых базируется шпатель, наносящий наполнитель. Также могут межреберные промежутки заполняться твердый смазкой (дисульфит молибдена, графит и др.), обеспечивая при этом допустимые давления до 30 МПа.

Конкретным примером такого восстановления может быть «подъем» изношенной поверхности вала тепловой электростанции массой 900 кг. На участке длиной 200 мм, диаметр 190 мм увеличили на 0,8 мм с заполнением межреберного зазора ремонтным составом «Belzona». Время оребрения 3 мин на токарном станке без использования СОТС. Этот пример является характерным, поскольку деформирующее резание (ДР) используется для восстановления крупногабаритных деталей, не подвергающихся термическому упрочнению при изготовлении.

Кроме того, что ребра могут непосредственно обеспечивать несущую способность восстановленной поверхности своими вершинами, они могут за счет значительного увеличения поверхности (для сталей в 5 раз), а значит усиления адгезионной связи с наносимыми покрытиями, и за счет реализации анкерного (замкового) эффекта надежно удерживать различные наносимые покрытия. Анкерный эффект может быть обеспечен наклоном ребер ( с помощью разворота резца), осадки их вершин, загибом вершин. Покрытие, нанесенное на такую поверхность не отслаивается, а разрушается по своей толщине, поэтому сдвиговые силы, которые способны выдержать покрытие, значительно возрастают. В этом случае компенсация износа происходит за счет собственной толщины покрытия.

Широкое распространение получили способы газотермического напыления; сверхзвуковым газопламенным напылением удалось получить твердосплавное покрытие толщиной до нескольких миллиметров, что было неосуществимо без подготовки поверхности деформирующим резанием. Например, на предварительно оребренные кольца деформирующих прошивок сверхзвуковым газопламенным напылением наносили твердый сплав (карбид вольфрама 88% и кобальта 12%) толщиной покрытия порядка 0,3 мм. Длительные испытания этих прошивок в условиях больших контактных давлений и сдвиговых нагрузок не показали отслоений ни на одном из колец.

Оребрение поверхности с очень малыми межреберными зазорами (менее 150 мкм) позволяет получать диффузионным легированием покрытия толщиной до 3 мм, превосходящие традиционные диффузионные по износостойкости в 1,5…3 раза.

Деформирующее резание реализуется на стандартном металлорежущем оборудовании с практически такими же параметрами, как при черновом точении, с силами, не приводящими к смятию и изгибу даже на тонкостенных деталях.

 

1.3. Изменение кривизны деталей пластическим деформированием

1.3.1.  Пластический изгиб при восстановлении деталей.

Изменение кривизны деталей пластическим изгибом всегда сопровождается упругим последействием и остаточными напряжениями, возникновение которых следует из схемы напряженного и деформированного состояния при изгибе.

Распределение напряжений по толщине изгибаемой полосы (рис.30) может быть найдено из совместного решения дифференциальных уравнений равновесия и уравнения пластичности. При изгибе моментом уравнение равновесия в цилиндрической системе координат имеет вид:

 

 

 

Уравнение пластичности по гипотезе максимальных касательных напряжений может быть записано:

 

 

Где знак «+» относится к зоне растяжения, а знак «-» - к зоне сжатия.

Совместным решением этих уравнений с учетом граничных условий, по которым при p=R  и p=r напряжения σp=0, получим формулы, показывающие характер распределения напряжений по толщине полосы:

 

для зоны растяжения

 

 

 

для зоны сжатия

 

Радиусы кривизны при изгибе деталей (и их правке) относительно велики, поэтому можно считать отношения    близкими к единице. В этом случае логарифм можно заменить первым членом его разложения в ряд по типу:

 

 

После этого формулы распределения можно несколько упростить. Например, для радиальных напряжений:

 

 

в зоне растяжения

 

 

 

в зоне сжатия

 

 

На нейтральной поверхности эти напряжения должны быть равны между собой, откуда можно определить радиус этой нейтральной поверхности:

 

 

На нейтральной поверхности действует наибольшее по абсолютной величине радиальное напряжение σp :

 

 

 

Выразив R=r+S ( S – толщина полосы) и разложив подкоренное выражение:

 

 

 

Получим упрощенное выражение для σpmax:

 

 

 

Из последнего выражения видно, что если r/S>10, максимальное радиальное напряжение σs<σs/20. Поэтому при анализе изгиба, возможного в процессе эксплуатации деталей и их последующей правки, когда радиусы кривизны имеют большую величину, влиянием радиальных напряжений на величину тангенциальных можно пренебречь. Таким образом, примем тангенциальное напряжение σө постоянным, равным по абсолютному значению напряжению текучести σs, т.е. без учета упрочнения и зоны упргуих деформаций (считая эту зону пренебрежимо малой по толщине)

Согласно принятой схеме распределения напряжений при разгрузке каждый слой заготовки должен упруго деформироваться по закону Гука на величину:

 

Где Е – модуль упругости 1-го рода; l - длина слоя;

a - угол гибки.

Но с другой стороны, согласно принятой гипотезе плоских сечений, деформации слоев εө должны быть в зависимости от расстояния до нейтральной поверхности, а не от координаты p. Поэтому, принимая во внимание сплошность заготовки, взаимосвязь ее слоев друг с другом, надо признать, что их упругие деформации полностью не снимаются и приводят к возникновению остаточных напряжений. Одни слои остаются несколько растянутыми, другие – сжатыми, чтобы изменение деформаций по толщине удовлетворяло линейной зависимости εө от расстояния до нейтральной поверхности, которую в нашем случае можно считать совпадающей со срединной поверхностью.

Распределение остаточных напряжений можно найти с помощью теоремы о разгрузке, из которой следует, что величина остаточных напряжений определяется как разность напряжений, действующих при нагружении, и условных напряжениях σу, которые могли возникнуть в заготовке, если бы она получала только упругие деформации под действием момента, численно равному моменту при пластическом изгибе. Таким образом, на наружном слое заготовки, который при изгибе испытывал растяжение, после разгрузки будут остаточные напряжения сжатия      (рис. 31), а на слое, который испытывал при изгибе сжатие – остаточные напряжения растяжения.

 

Приравняв момент пластического изгиба и фиктивного момента упругих деформаций изгиба, можно найти величину условного напряжения sy=-3ss/2 в поверхностных слоях заготовки и величину остаточных напряжений, в частности, на внешнем слое sост=-ss/2.

Наружный слой заготовки, который при изгибе испытывал растяжение с напряжением ss, после разгрузки будет испытывать сжатие с напряжением -ss/2. Таким образом, деформация наружного слоя при разгрузке по закону Гука будет пропорциональна 3ss/2. Если принять, что вследствие малости угол пружинения Da равен tgDa, а tgDa=2Dl/S, можно получить приближенную качественную зависимость для определения угла пружинения:

                       Da=3ss(r/S + 1)a/E

 

 

Из формулы видно, что на величину угла пружинения существенно влияет отношение предела текучести к модулю упругости. Поэтому при гибке наклепанного металла с увеличенным пределом текучести пружинение будет больше, чем при гибке отожженного. С другой стороны, некоторые цветные металлы, имеющие предел текучести, близкий к пределу текучести стали, и небольшой модуль упругости, пружинят больше, чем сталь.

При дефектном изгибе деталей в процессе эксплуатации и изгибе с целью исправления кривизны отношение r/S велико и приводит к большим углам пружинения, но углы гибки a малы и соизмеримы с углами пружинения.

Вместе с тем при выводе этой формулы был принят ряд допущений, и не учтены особенности гибки усилием, имеющие значительное влияние на величину угла пружинения. Строгое аналитическое решение для расчета углов упругого пружинения с необходимой точностью практически невозможно.

Таким образом, из приведенного анализа следует, что при искривлении детали в процессе эксплуатации в ней всегда возникают остаточные напряжения. Изменяя действующие остаточные напряжения, можно это искривление уменьшить или устранить. Например, если устранить остаточные напряжения растяжения поверхностной пластической деформацией (поверхностным нагревом или силовым воздействием), кривизна детали уменьшится.

 

    1.3.2. Правка деталей с компенсацией упругого последействия

При исправлении кривизны деталей необходим пластический изгиб на очень небольшие углы при больших относительных радиусах кривизны; причем материал восстанавливаемых деталей чаще всего имеет отношение предела текучести к модулю упругости большее, чем в процессах формоизменения гибкой. Поэтому упругое последействие при правке деталей может иметь большую величину. О характере величин упругого пружинения можно судить на примере исправления кривизны прутка с поперечным размером до 25 мм на длине 1000мм.

В соответствии со стандартом допускаемая кривизна горячекатаного квадратного профиля составляет 5 мм, а такого же калиброванного по 11-му квалитету – 2 мм. Таким образом, речь идет о гибке с относительными радиусами порядка 1000 и углами порядка 1°. При таких параметрах гибки пластического изгиба не происходит, т.е. величина углов гибки-правки целиком лежит в упругой области. Следовательно, нужно компенсировать пружинение перегибом. Так же, если любую деталь, имеющую кривизну, приложением нагрузки полностью выпрямить, то после разгрузки из-за упругого пружинения какая-то кривизна останется, и для полного выпрямления детали нужен перегиб строго на величину этого пружинения. Но поскольку рассчитать величину угла пружинения с необходимой точностью практически невозможно, применяемые при восстановлении деталей способы правки внешним усилием основываются на конкретных экспериментальных данных и производственном опыте.

 

Правку статическим изгибомпроизводят на прессах, устанавливая деталь 2 на призмы или опоры 3 (рис. 32) и осуществляя гибку нажатием пуансона пресса 1 через мягкую прокладку 5. Стрелу прогиба контролируют индикатором 4.

Очень малая величина пластической деформации при правке имеет своим следствием не только соизмеримость с ними упругих деформаций детали, но и соизмеримость упругих деформаций пресса. Поэтому регулирование величины прогиба за счет изменения усилия пресса не обеспечивает нужной точности. Упругие деформации пресса необходимо учитывать и при контроле прогиба индикатором, т.к. величина прогиба должна быть равной прогибу пружинения плюс упругая деформация пресса при соответствующем усилии.

Практически требуемую величину прогиба приходится подбирать, производя несколько нажимов пуансоном и постепенно увеличивая перегиб детали. Для упрощения такой кропотливой работы на производстве часто используют более грубые варианты правки, устанавливая приближенно постоянную величину перегиба. Например, величину перегиба принимают равной максимальному упругому прогибу детали. Причем это имеет под собой основание, т.к. эксперименты показывают, что при изгибе с большим относительным радиусом кривизны упругая составляющая в определенных пределах практически не изменяется с увеличением общего прогиба (рис.33).

Холодная правка статическим изгибом является наиболее простым и распространенным способом. Однако холодная правка приводит к снижению усталостной прочности (на 15-35%) и зачастую не обеспечивает сохранения стабильной формы детали в процессе эксплуатации. Причиной этого являются остаточные напряжения, которые, как было отмечено выше, всегда сопровождают процесс гибки, а в условиях холодной деформации имеют большую величину и вызывают большую неоднородность свойств металла по сечению. Для снижения отрицательных последствий холодной правки после нее производят отпуск детали, реже применяют правку с нагревом – до 600…800 °С.

 

Правку растяжением  обычно применяют для деталей большой относительной длины и постоянным по длине сечением, т.е. типа прутка. Схема действующих остаточных напряжений изменяется при этом за счет растяжения детали до относительных удлинений 1…3%, благодаря чему нейтральная поверхность смещается за границы детали. Пружинение при этом значительно уменьшается, хотя полностью его устранить нельзя из-за неоднородности деформаций по толщине. Распределение относительных деформаций по толщине детали, учитывая, что речь идет об изгибе с большими относительными радиусами, можно принять по линейному закону (рис. 34,а); слои менее вытянутые получают при растяжении большее удлинение, чем слои более вытянутые. Зависимость напряжений от деформации, учитывая, что правку с растяжением производят при небольших относительных удлинениях, можно принять по диаграмме условных напряжений (рис. 34,б). Таким образом, большая деформация удлинения dб вызывает напряжение sб, а меньшая напряжение sм . При снятии растягивающего усилия слои детали сократятся пропорционально напряжениям, действующим в конечный момент растяжения, и чем больше различие между этими деформациями, тем больше остаточная деформация детали. Следовательно, при правке растяжением нужно принимать величину растягивающего усилия из условия, чтобы зона относительных удлинений dб – dм соответствовала участку диаграммы напряжений, имеющему минимальный модуль упрочнения. Для малоуглеродистых сталей, например, это площадка текучести, где модуль упрочнения равен нулю; поэтому качество правки деталей из этих сталей высокое. Хуже подаются правке растяжением материалы с большим модулем упрочнения, например, высокоуглеродистые стали.

 

Правку местным наклепом обычно выполняют нанося удары деформирующим инструментом с небольшой контактной поверхностью (пневматическим или ручным молотком) по поверхности детали в месте ее наибольшей вогнутости (рис. 35,а). В результате силового воздействия деформирующего инструмента на поверхности происходит локальное пластическое деформирование и остается отпечаток. При сплошном покрытии отпечатками определенной поверхности можно считать, что сжатие металла на некоторой толщине hпл в среднем соответствует деформациям осевого сжатия под одним отпечатком.

Схему формирования остаточных напряжений в пластически деформированном слое при одном цикле обработки можно представить, рассматривая цилиндрический элемент-отпечаток – результат обработки с поверхности на толщину пластически деформированного слоя hпл(рис.32,б). Окружающие рассматриваемый элемент необработанные участки играют роль упругой заделки. Поскольку размеры обработанного участка считаем неизменными, то деформацию элемента можно рассматривать как растяжение sр под действием обработки в упругой заделке и последующее сжатие на ту же величину от окружающей упругой заделки. При этом возникают сжимающие напряжения sсж(рис. 35,б). Если снять упругое ограничение, что происходит при обработке всей поверхности, то происходит разгрузка, по знаку совпадающая с первичным нагружением, и остаются результирующие остаточные напряжения sост и деформация e1 . Если жесткость детали позволяет, то происходит ее общая деформация и, вследствие этого, перераспределение остаточных напряжений. В пластически деформированном поверхностном слое остаточные напряжения будут определяться разностью сжимающих напряжений от поверхностного пластического деформирования и напряжений объемной деформации, а в остальной части остаточные напряжения будут соответствовать только напряжениям объемной деформации.

На практике правку местным наклепом чаще всего применяют для восстановления валов (в том числе коленчатых). Например, вал, имеющий шпоночный паз и вогнутый в его сторону, правят, нанося легкие удары молотком по закаленной пластинке, которую постепенно перемещают по дну паза.

Правка местным нагревом (термическая правка) используется для исправления кривизны конструкции из стержней балок и листовых конструкций. Правка происходит под действием термических напряжений, приводящих к остаточным (пластическим) деформациям. Например, правку стального бруса квадратного сечения (30 х 30 мм) длиной 2 200 мм проводили путем нагрева участка длиной 550 мм с одной стороны в центре бруса. Локальный нагрев (универсальной газовой горелкой №7) приводил к пластической деформации сжатия участка металла ограниченного не нагретой частью конструкции. При охлаждении металл нагретого участка сжимается, стараясь распрямить весь брус.

Правка тонколистовых конструкций имеет тот же механизм. Неровности, искажения листа (так называемая «бухтиноватость») образуется вследствие потери устойчивости от напряжений сжатия, а в результате термической правки в плоскости металла листа возникают пластические деформации укорочения, убирающие «лишний» металл. Традиционно при термической правке используют или круглые пятна нагрева (при толщине до 5мм), или полосы нагрева (обычно при толщине больше 5 мм). Длинные полосы нагрева считаются более эффективными при правке, но имеют повышенный риск потери устойчивости листа ( особенно тонкого). Полосы нагрева могут быть получены стационарным распределенным источником нагрева, когда нагрев осуществляют по всей полосе одновременно, например, индукционным нагревателем. Значительно более длинные полосы можно нагреть без угрозы потери устойчивости при движущемся концентрированном источнике нагрева, в качестве которого традиционно используют газопламенную горелку.

Эффективность термической правки (ЭТП), которую определяют как отношение объема остаточных пластических деформаций ко вложенной энергии нагрева, резко повышается с ростом максимальной температуры нагрева. Однако, нагрев сталей обычно ограничивают температурой 600…6500С, т.к. при более высокой температуре нагрева возможно нежелательное изменение структуры металла и деградация его механических свойств.

ЭТП зависит от времени нагрева пятна до максимальной температуры: чем оно меньше, тем выше ЭТП. Это значит, что нужен мощный источник нагрева, который, однако, не должен приводить к расплавлению поверхности листа.

 


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 353; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ