Восстановление механических характеристик



поверхностного слоя деталей пластическим              деформированием

1. 4.1. Физико-механические основы поверхностного пластического

деформирования

В условиях эксплуатации физико-механические свойства поверхностного слоя детали изменяются наиболее сильно под действием силовых, температурных и других факторов. С другой стороны от качества поверхностного слоя в значительной степени зависят эксплуатационные свойства детали - сопротивление усталости, износостойкость, коррозионная стойкость, сопротивление контактной усталости и др. Желательно, чтобы поверхность детали была достаточно твердой, имела сжимающие остаточные напряжения, мелкодисперсную структуру, сглаженную форму микронеровностей с большой площадью опорной поверхности. Поверхностный слой детали часто не отвечает этим требованиям и после механической обработки при изготовлении, и в результате эксплуатации, и после восстановления износа детали некоторыми способами (электродуговой наплавкой, гальваническими покрытиями).

Оптимальное качество поверхностного слоя может быть достигнуто поверхностным пластическим деформированием (ППД), при котором происходит тонкое пластическое деформирование поверхностного слоя. В результате упрочняется поверхностный слой, повышается износостойкость, сопротивление усталости. Применением ППД удается повысить запас прочности деталей, работающих при переменных нагрузках в 1,5…3 раза.

В первоначальный момент ППД в результате силового воздействия инструмента (индентора) образуется отпечаток, который затем превращается в примыкающие друг к другу следы или серию отпечатков (рис.36). Считают, что при достаточно полном перекрытии поверхности отпечатками толщина пластически деформированного слоя hплсоответствует размерам очага деформации от единичного вдавливания. Для практических расчетов глубины распространения пластической деформации под отпечатком наибольшее распространение имеет формула:

hпл = (P/σ0,2)½ ,

где Р – усилие, приложенное к инструменту;

s0,2 – условный предел текучести.

Если принять, что между пределом текучести и твердостью по Бринелю есть постоянное соотношение (для сталей s0,2 = НВ/3), то можно выразить глубину пластически деформированного слоя по-другому.

                                               hпл = Кплd,

где Кпл – коэффициент, принимаемый для сталей равным 1,5;

d– диаметр отпечатка.

В качестве основного показателя меры деформирования, характеризующего степень наклепа конкретных материалов, принимают отношение:

                                  e = d/D ,

где D – диаметр вдавливаемой сферы.

Для конструкционных сталей при разных способах ППД e = 0,3…0,7. В зависимости от этой деформации изменяются свойства поверхностного слоя (рис.37).

При наклёпе вследствие массового развития в металле дислокаций и вакансий уменьшается его плотность, а следовательно увеличивается удельный объем. Поверхностные слои металла, получившие наклеп стремятся занять больший объем, чему препятствуют нижележащие слои, не затронутые пластической деформацией. В результате в поверхностных слоях развиваются остаточные напряжения сжатия.

Чем больше степень упрочнения, повышение твердости поверхностного слоя, тем больше остаточные напряжения сжатия и вероятность коробления детали при ее недостаточной жесткости.

По характеру воздействия на поверхностный слой схемы пластического деформирования могут существенно отличаться, в разной степени обеспечивая повышение твердости, поверхностные сжимающие остаточные напряжения, снижение шероховатости и увеличения радиуса скручивания микронеровностей.

Одним из основных признаков классификации способов ППД считают статический или динамический характер воздействия, определяющий в значительной степени другие отличительные признаки способов. При статическом воздействии реализуется жесткая связь инструмента с источником движения, и основной параметр, определяющий упрочнение поверхности, - сила с которой инструмент воздействует на обрабатываемую поверхность. При динамическом воздействии жесткая связь инструмента или деформирующего тела с источником движения отсутствует или существует нежесткая (упругая) связь, а степень упрочнения поверхности определяется массой деформирующих тел, их скоростью и временем обработки при их многократном воздействии. Статические методы, как правило, обеспечивают меньшую шероховатость поверхности, но и меньшую степень упрочнения, чем динамические.

При равенстве диаметров отпечатков d глубину наклепанного слоя считают практически равной при однократном статическом и динамическом нагружении. Но ударное вдавливание по сравнению со статическим требует в 1,7…2,8 раза больше энергии, причем, чем больше твердость, тем разница меньше. Одна из причин этого – увеличение значения постоянной пластичности при высоких скоростях деформирования. Например, для стали 45 постоянная пластичности увеличивается в 3 раза при скоростях деформирования порядка 100 м/с. Кроме того, надо иметь в виду, что при интенсивных режимах ППД локальные участки поверхностного слоя нагреваются: при статических способах – до 300…400 °С, при ударных способах – до 800…1000 °С.

Статические способы по характеру кинематического взаимодействия инструмента с поверхностью или по виду трения в контакте можно разделить на способы с контактом скольжения и способы с контактом качения. Способы упрочнения с контактом скольжения обеспечивают существенное снижение шероховатости. При контакте качения – обкатывании (раскатывании) отпечаток может иметь разную форму в зависимости от конфигурации инструмента, кривизны поверхности и угла между осью инструмента и поверхностью. Неоднородность упрочненной поверхности и шероховатости в значительной степени вызываются неравномерностью микронеровностей исходной поверхности (кроме неравномерности силы обкатывания, вибраций станка и других погрешностей).

Динамическое воздействие на упрочняемую поверхность создается различным образом: путем придания определенных параметров струе дроби или стальным шарикам с помощью сжатого воздуха, давления жидкости; посредством использования центробежных сил, пневматических или пружинных устройств (табл. 3 раздаточного материала). Поскольку скорость и масса инструмента могут при этом варьироваться в широких пределах, ударная обработка может обеспечивать большую глубину и большую степень упрочнения. Однако шероховатость обработанной таким образом поверхности обычно увеличивается и увеличивается опасность перенаклепа.

Перенаклеп внешне проявляется в виде появления микротрещин и отслаиваний (в виде чешуек) при большой величине и неоднородности поверхностных остаточных напряжений. С увеличением глубины и степени упрочнения увеличивается абсолютное значение и глубина залегания остаточных напряжений, неоднородных по толщине. В очень тонких слоях непосредственно под индентором из-за тормозящего действия сил трения напряжения могут быть растягивающими, а затем в основном сжимающие. Глубина залегания остаточных напряжений на 10-50% глубже наклепа.

 

 

1.4.2. Обкатывание и раскатывание

Этот способ ППД чаще применяют для поверхностей вращения наружных и внутренних. Инструментом являются шары и ролики обычно из подшипниковой стали диаметром от 0,25 мм до 30 мм (иногда и больше). Отпечаток инструмента во время обкатывания превращается в пластически деформированную канавку, которая при обработке цилиндрических поверхностей с подачей (табл.3) представляет собой винтовую поверхность. Ширина канавки во много раз превышает подачу; при втором и последующих оборотах детали инструмент (шарик или ролик) выходит на уже деформированную поверхность, несколько расширяя ее.

Шаровые устройства (рис. 38) применяют для обработки маложестких и неравножестких деталей, в том числе деталей с высокой твердостью поверхности.  Получаемый в итоге регулярный микрорельеф поверхности с канавками заданного вида (наплывы с обеих сторон канавки могут быть больше высоты исходной шероховатости) обеспечивает удержание смазки и уменьшение изнашивания. Достигаемый параметр шероховатости при обкатывании шаром ( Rа 0,04…0,4 мкм) прямо пропорционален подаче во второй степени и обратно пропорционален радиусу шара. Увеличение твердости при обкатывании зависит не только от давления, но и от других параметров. Так, наибольшее увеличение твердости (от 15 до 25% по отношению к исходной) наблюдается для материалов со структурой мартенсита, не подвергшихся отпуску. От многих параметров зависят и остаточные напряжения, значение которых у поверхности могут достигать 400 МПа (сталь 45).

При обкатывании роликовым инструментом отпечаток может иметь различную форму в зависимости от конфигурации ролика, кривизны поверхности и угла между осью ролика и поверхностью. Пластическое деформирование может протекать неравномерно, что обусловливает образование волнистости на обкатанной поверхности. Неоднородность упрочненной поверхности и шероховатости в значительной степени вызываются неравномерностью микронеровностей исходной поверхности (кроме неравномерности силы обкатывания, вибраций станка, биения роликов и их неточной установкой). Достижимый параметр шероховатости может колебаться в широких пределах: Ra 0,07…0,32 мкм и выше.

Основные параметры обкатывания и раскатывания: сила, подача, скорость.

Поскольку сила обкатыванияпри завышенной величине может вызвать перенаклеп, ускоряет износ инструмента и ухудшает работу оборудования, ее назначают минимальной, обеспечивающей производительный процесс обкатывания и удовлетворительную глубину наклепанного слоя. Силу обкатывания можно определить по приводимой в справочной литературе номограмме в зависимости от диаметров вала и инструмента.

Рост величины подачи увеличивает производительность процесса, но при значениях, выше допустимых, резко уменьшаются остаточные напряжения, глубина их залегания, ухудшается шероховатость поверхности. При обработке стальных деталей рекомендуется величина подачи 0,06…0,08 мм/об.

Скорость обкатыванияпочти не оказывает влияния на характеристики поверхностного слоя; обычно она составляет 20…200 м/мин, т.к. при большей скорости сильно растут вибрации и динамические нагрузки на инструмент.

При восстановлении деталей широко используют совмещенные способы – наплавку поверхности, расточку и обкатывание (или раскатывание). Сложность обкатывания таких поверхностей – неоднородная твердость по ширине шага наплавки, приводящая к волнистости после обкатывания.

Обкатыванием обрабатывают не только цилиндрические, но и поверхности сложной формы. Сферические поверхности обрабатывают или двумя симметрично расположенными роликами с радиусом обкатываемой сферы, или роликами обычной конфигурации на станках с копирными устройствами и программным управлением. По последней схеме обкатывают и сложные фасонные поверхности.

Резьбы целесообразно подвергать упрочняющей обкатке, т.к. после нарезания резьбы остаются концентраторы напряжений. Обкатывают их роликами обычно по тем же схемам и на том же оборудовании, что и при накатывании резьбы. Припуск при этом обычно не превышает 0,08…0,2 мм.

Зубчатые колеса обкатывают высокопрочными колесами повышенной точности по окружности или специальными профильными роликами вдоль впадины.

Технологическая оснастка для обкатывания и раскатывания очень разнообразна: однороликовые и многороликовые устройства, бессепараторные и сепараторные, с механическими (пружинными), пневматическими и гидравлическими нажимными устройствами. Созданы специальные инструменты и устройства для обкатывания фасок, кольцевых и винтовых канавок.

В качестве оборудования в большинстве случаев используют универсальные металлорежущие станки.

Кроме этого используют ударное раскатывание специальным инструментом, в котором ролики в сепараторе вращаются между обрабатываемой поверхностью и кулачковой оправкой (рис.39). Деталь испытывает двойное воздействие: вследствие раскатывания и приложения ударной нагрузки. Кратковременное приложение нагрузки позволяет обрабатывать отверстия в деталях малой и неравномерной жесткости.

Ударное раскатывание вызывает локальное, неоднородное в точке контакта пластическое деформирование. Однако большое число ударов и их равномерное распределение по обрабатываемой поверхности как бы «усредняет» воздействие – в результате создается равномерный упрочненный слой. Ударное раскатывание ведут при подаче смазочно-охлаждающих жидкостей. Припуск на обработку стальных деталей обычно не превышает 0,015 мм.

 

1.4.3. Выглаживание

Выглаживание(2 на табл.3) –пластическое деформирование поверхности скользящим по ней инструментом, обладающим низким коэффициентом трения по металлу и высокой твердостью (алмазы и другие сверхтвердые материалы). Инструмент как бы раздвигает металл, образуя на поверхности канавку, ширина которой больше подачи, поэтому новый микрорельеф имеет высоту неровностей меньше исходной.

Выглаживание проводится в условиях трения скольжения (в отличие от процесса обкатывания), вследствие этого решающее значение для качества поверхности имеет коэффициент трения между инструментом и обрабатываемой деталью. Он наиболее существенно зависит от силы выглаживания и твердости обрабатываемой детали: с увеличением силы (до оптимального значения) коэффициент трения увеличивается, а с возрастанием твердости металла - уменьшается. Обычно коэффициент трения m = 0,05…0,08.

Температура в очаге деформирования на глубине до 0,1 мм не превышает 200…400 °С при скорости выглаживания до 100 м /мин. Процесс проводят с подачей СОТС, что способствует повышению стойкости инструмента.

Благодаря малым радиусам рабочей части инструмента (1…3 мм) при сравнительно небольших нагрузках можно упрочнять детали с малой жесткостью. Размер детали после выглаживания может уменьшаться на 3…5 мкм. Шероховатость – Ra 0,16…0,02 мкм.

Интересно, что выглаживание может применяться в качестве контрольной операции при восстановлении особо ответственных деталей, т.к. после выглаживания выявляются микротрещины шириной до 1…3 мкм и другие дефекты, невидимые на шлифованной и полированной поверхности.

При выглаживании оптимальными режимами обеспечивается степень упрочнения 25…40% при глубине упрочненного слоя до 0,4 мм и создаются сжимающие остаточные напряжения до 1,2 ГПа. Существенно при этом, что радиус скругления микронеровностей может достичь 1000…3500 мкм, в то время, как при тонком шлифовании этот радиус составляет 70…100 мкм. А с увеличением радиуса впадин микрорельефа повышаются и усталостная прочность и коррозионная стойкость.

Инструмент для выглаживания – закрепленный в оправке алмаз или синтетический сверхтвердый материал обычно с механической системой поджатия к детали проволочной или пластинчатой пружиной.

Оборудование для выглаживания – обычно универсальные металлорежущие станки.

 

1. 4.4. Поверхностное дорнование

Кроме объемного дорнования, рассмотренного в параграфе 2.2, применяется поверхностное дорнование (3 на табл. 3) для уменьшения шероховатости, повышения точности и упрочнения поверхности отверстий.

Основными параметрами процесса, как и при объемном дорновании, являются абсолютный и относительный натяг. Но при поверхностном дорновании величина относительного натяга примерно на порядок меньше, чем при объемном дорновании.

Для нормального протекания процесса дорнования половина натяга, определяемого по минимальному размеру отверстия, должна быть в несколько раз больше допуска на размеры отверстия:

                                     Imax / 2 / (3…5)d,

где d- допуск на размер отверстия.

С увеличением натяга параметр шероховатости поверхности до определенного значения падает, а затем возрастает (рис.40), имея значения Ra 0, 32…0,05 мкм. Суммарный натяг при поверхностном дорновании отверстий до 80 мм обычно не превышает 0,1…0,2 мм.

Оснастка при поверхностном дорновании: дорны однозубые и многозубые, устройства для центрирования и поддержания детали и дорна; патроны.

Оборудование – протяжные станки и прессы.

 

1.4.5. Обработка дробью

Поверхностную обработку дробью (8 в тал. 4) разделяют на два основных способа: дробеударный или сухой дробью (дробеструйный, дробеметный, пневмодинамический) и гидродробеударный или со смазочно-охлаждающей жидкостью (гидродробеструйная, гидродробемётная). Дробь диаметром до 2 мм разгоняют либо лопастями вращающегося колеса, либо давлением воздуха или жидкости.

Характер пластического деформирования и отпечатки на поверхности от дроби в этих способах отличаются. При сухой обработке наплыв металла вокруг отпечатка с более острым гребнем; в тонких приповерхностных слоях остаточные напряжения растягивающие, а в более глубоких слоях – сжимающие. При обработке со смазочно-охлаждающей жидкостью отпечаток имеет более плавные, округлые границы; остаточные напряжения – равномерные, сжимающие.

Кроме того при дробеударной обработке жесткий удар дробинок при значительных скоростях их полета вызывает локальное увеличение температуры (до 650 °С для улучшенной стали); параметр шероховатости ухудшается; режим упрочнения носит нестабильный характер из-за заметного разброса диаметра дроби (энергия удара пропорциональна диаметру дроби в третьей степени).

Вместе с этими недостатками обработка сухой дробью имеет и существенные преимущества – простоту конструкции дробеметных и дробеструйных установок, возможность получения высоких скоростей полета, отсутствие необходимости промывать деталь после обработки, более высокую степень и глубину упрочнения.

Основные параметры обработки дробью: рабочая среда (дробь и смазочно-охлаждающая жидкость); расстояние от среза сопла до упрочняемой поверхности; угол и диаметр факела дроби; скорость движения рабочей среды; продолжительность процесса.

Режим необходимого упрочнения оценивают и подбирают экспериментально, обрабатывая партию образцов на настроенной на конкретной детали установке. Упрочняют образцы партиями по 4…5 штук при одном давлении, но разном времени обработки и измеряют стрелу прогиба образца f. Затем строят кривую зависимости прогиба в функции времени обработки. По этим кривым (при разных давлениях) определяют время, после которого прогиб не увеличивается (рис.41).

Кроме обработки дробью динамическое воздействие может сказываться при других схемах ускорения рабочих тел другого вида. Так, при виброударной обработке ( 6 в табл. 4) рабочей камере сообщаются низкочастотные колебания в различных направлениях, вследствие чего между деталями и рабочими телами возникают соударении. Поскольку степень упрочнения прямо связана с амплитудой колебания, которая ограничена (обычно 1,5…6 мм) возможностями используемых вибромашин, при виброударной обработке практически исключен перенаклеп.

Ударная обработка ( 7 в табл. 4) включает способы динамического упрочнения, при которых в отличие от виброударной обработки движение деформирующих тел (шаров, роликов, бойков различной формы) носит не хаотичный, а закономерный, направленный характер. Поскольку скорость и масса инструмента могут при этом варьироваться в широких пределах, ударная обработка – чеканка обеспечивает значительные глубину и степень упрочнения.

Обработку проволочным инструментом (9 в табл.4) можно разделить на съем металла иглофрезами (коэффициент заполнения более 0,7) и зачистку – упрочнение щетками (коэффициент заполнения менее 0,7). Ударные элементы щеток могут быть выполнены в виде прядей троса со скрепленными концами или в виде пружинной проволоки с утолщениями на конце. При обработке деталей из сталей различных марок длинноворсовыми щетками микротвердость поверхности повышается на 70…150%, а в некоторых случаях – в 2,5…3,5 раза, однако толщина упрочненного слоя не превышает 0,1 мм.

 

1.5. Операции пластического деформирования при изготовлении деталей в ремонтном производстве и их утилизации.

1.5.1 Особенности технологических процессов ковки и штамповки

    Изготовление деталей в условиях ремонтного производства в единичных количествах процессами пластического деформирования может выполняться кузнечными операциями (если заготовка и деталь – объёмные) и специализированными операциями листовой штамповки (если деталь – тонкостенная оболочка и заготовка листовая).

    Особенность технологических процессов в этом случае – использование универсального инструмента и технологической оснастки упрощённой конструкции. Кроме того, в отличие от изготовления деталей при производстве машин, в ремонтном производстве заготовка для пластического деформирования не обязательно может быть оптимальной с точки зрения технологии её обработки. Для кузнечных операций заготовкой может быть прокат произвольных размеров (но большей массы, чем масса поковки), а может быть и дефектная деталь из сплава подходящей марки.

    При изготовлении деталей – оболочек из листа (чаще всего это корпусные детали), заготовку обычно выбирают из имеющихся в наличии а свойства этого листа (в частности, штампуемость) могут быть не регламентированы так, как при штамповке серии деталей.

    В связи с этими особенностями процессы изготовления поковок и деталей из листа в ремонтном производстве отличает более низкая производительность, большая трудоёмкость и больший расход металла.

    Рассматриваемые в данном случае операции могут осуществляться вручную и на машинах: для ковки это обычно пневматические молоты; при изготовлении деталей из листа – чаще всего гидравлические прессы.

        

1.5.2 Основные кузнечные операции

    Каждая кузнечная операция отличается характером деформирования и применяемым инструментом. Основные операции: осадка, протяжка, отрубка, прошивка, гибка, скручивание, кузнечная сварка. Как правило, кузнечным операциям подвергают нагретую заготовку.

    Осадка, служащая для увеличения поперечных размеров заготовки, рассматривалась применительно к восстановлению деталей в параграфе 2.1. Осадку на части длины заготовки называют высадкой (рис. 42а). Другая разновидность осадки – разгонка, при которой уменьшение высоты заготовки и увеличение её поперечных размеров производят раскаткой (рис. 42б), имеющей небольшую контактную площадь с поковкой. Это обеспечивает возможность небольшими силами деформировать заготовку, но её поверхность получается волнистой и для выглаживания пользуются плоскими раскатками, способ применения которых аналогичен полукруглым раскаткам.

    Разгонка по своим результатам представляет собой осадку, но по существу процесса деформирования относится к протяжке.

    Протяжкой называют кузнечную операцию, при которой длина заготовки увеличивается за счет уменьшения ее поперечного сечения.

    При протяжке деформируются отдельные части заготовки (рис. 43) в определенной последовательности, при этом бойки не перекрывают всю заготовку. Деформирование каждого участка заключается в уменьшении высоты с одновременным уширением и удлинением. Затем заготовку кантуют на 90º и, деформируя следующий ее участок, ликвидируют уширение, образовавшееся при предыдущем деформировании. Таким образом, деформируя заготовку после каждого поворота и осуществляя нужную подачу, уменьшают ширину и высоту заготовки, но удлинение с каждым разом увеличивается.

     При изготовлении поковок протяжказанимает 60…70% всего времени работы.

    Соотношение между уширением и удлинением определяется, главным образом, величиной подачи, т.к. ее отношение к ширине заготовки определяет отношение сил трения Т, действующих в направлении длины и

ширины заготовки (рис. 43). Поэтому большее уменьшение площади поперечного сечения обеспечивает протяжка с меньшими относительными подачами. Однако при излишне малой подаче могут получаться зажимы; для мелких и средних поковок не рекомендуют брать отношение величины подачи к ширине меньше 0,5…0,7.

    При выполнении протяжки обязательно соблюдать правило: независимо от формы сечения конечной заготовки исходную заготовку сначала протягивают на квадрат, который затем протягивают в квадрат меньшего сечения, и только в конце ковки из квадрата получают требуемую форму сечения, например, круг. Протягивать непосредственно круглую заготовку в круг нельзя, поскольку при этом в осевой зоне заготовки возникают внутренние напряжения, приводящие к осевой рыхлости металла и скрытым трещинам. Во избежание продольного прогиба отношение высоты заготовки к ширине не должно превышать 2…2,5.

    Обычно применяемым показателем формоизменения металла при протяжке является уковка: отношение площади поперечного сечения заготовки F0 к площади поперечного сечения поковки Fп.

Отрубкой называют кузнечную операцию, с помощью которой от заготовки отделяют ее часть по замкнутому контуру внедрением в заготовку деформирующего инструмента. Отрубка производится с помощью кузнечных топоров и зубил, которые имеют ручки для установки и удержания их в процессе работы (рис. 44,а). Двусторонний топор и кузнечное зубило имеют уклон с двух сторон и внедряются в металл вертикально, поэтому торцы разрубаемой заготовки не перпендикулярны оси. Для получения вертикальной стенки иногда применяют односторонние топоры, имеющие уклон только с одной стороны, но их сильно уводит в сторону при отрубке.

При отрубке небольших заготовок на них устанавливают вертикально топор (или кузнечное зубило) и внедряют его в заготовку до образования перемычки, равной приблизительно ширине обуха топора. Затем заготовку кантуют на 180º и над перемычкой ставят квадратный пруток, которым отделяют перемычку (рис. 44, б).

Прошивкой называют кузнечную операцию, посредством которой в заготовке получают отверстие или углубление. Инструмент – прошивень (рис. 45), имеющий форму поперечного сечения в соответствии с формой отверстия или углубления, которое необходимо сделать в заготовке (чаще всего круглой формы).

При внедрении прошивня в заготовку ее форма искажается: уменьшается высота, наружный диаметр увеличивается с образованием бочкообразности. Причем, чем меньше отношение наружного диаметра заготовки к диаметру прошивня, тем больше искажение формы заготовки. Если это отношение больше пяти, то искажение формы практически не происходит.

Прошивка до получения сквозного отверстия на сплошной опоре невозможна, т.к. резко возрастает необходимая для деформирования сила. Поэтому для получения сквозного отверстия прошивень в заготовку внедряют примерно на 2/3 высоты, затем заготовку кантуют на 180º, прошивень ставят над полостью и выполняют сквозную прошивку с образованием отхода (выдры).

После прошивки отверстие не имеет цилиндрической формы, потому что прошивень имеет коническую форму боковой поверхности. В случае необходимости для придания отверстию цилиндрической формы через него проталкивают бочкообразный прошивень с несколько большим диаметром .

 

Гибкой придают исходной заготовке изогнутую форму по заданному контуру. Операция гибки производится самыми разнообразными способами, как без специальных приспособлений (универсальным инструментом), так и с применением специальных приспособлений для гибки по наружному контуру. В отличие от гибки для правки, рассмотренной в разделе 1.3 формоизменяющая гибка производится обычно на большие углы и с относительно малыми радиусами. Поэтому операция гибки сопровождается искажением первоначальной формы поперечного сечения заготовки и уменьшением ее площади. Кроме того, возможно образование складок на внутренней поверхности и трещин на внешней. Чем меньше радиус и больше угол гибки, тем сильнее проявляются эти явления. Но поскольку кузнечную гибку проводят в горячем состоянии, упругое пружинение практически отсутствует.

Скручивание – операция, с помощью которой одна часть заготовки поворачивается относительно другой при неизменном направлении оси заготовки. Использование операции скручивания во многих случаях позволяет ковать отдельные участки поковки в одной плоскости, что весьма удобно, а затем разворачивать эти части на разные углы. Скручивание небольших поковок производят вручную, зажимая одну часть заготовки бойками молота или в тисках и скручивая другую с помощью рычажного приспособления – воротка или «вилки».

Операция скручивания требует предварительной подготовки заготовки, т.к. иначе пластическая деформация может сконцентрироваться в одном месте и металл разорвется. Стержневая часть при скручивании немного укорачивается.

Кузнечной сваркой называют операцию неразъемного соединения отдельных частей заготовки. Перед соединением концы заготовки подготавливают, зачищают, затем нагревают эти участки до 1200…1300ºС, добавляют флюс (кварцевый песок, бура, поваренная соль), чтобы исключить пережог металла, накладывают части заготовок друг на друга, обжимают вначале легкими ударами, а затем проковывают окончательно. Ковки производят либо вручную, либо под пневматическим молотом.

Лучшие результаты при кузнечной сварки достигаются для низкоуглеродистой стали с содержанием углерода 0,15…0,25%.

Кузнечная сварка не обеспечивает высокой надежности сварного соединения, она малопроизводительна, пригодна для ограниченного числа сплавов, требует высокой квалификации рабочего и редко применяется на заводах, где имеются другие способы сварки. Однако в особых случаях, при ремонте неответственных деталей и при ковке сложных поковок ручной ковкой кузнечную сварку применяют.

 

1. 5.3. Разделительные операции деформирования листового металла

 В понятие «листовой метал» включают листы, полосы, ленты в рулоне и штучные листовые заготовки. Операции деформирования листового металла делят на две группы: разделительные и формоизменяющиеоперации.

Разделительные операции входят в каждый пооперационный маршрут изготовления детали из листового металла. В зависимости от назначения и вида используемого инструмента различают разделительные операции: отрезка, вырубка, пробивка, надрезка и др. Но во всех этих операциях механизм взаимодействия режущих кромок инструмента и металла заготовок одинаков.

В разделительных операциях пластическое деформирование происходит в начальной стадии процесса, а  затем практически всегда завершается разрушением металла. При этом стремятся максимально локализовать очаг пластической деформации (рис. 46, а), чтобы уменьшить искажение заготовок. Для этого режущие кромки должны быть максимально острыми, а зазор Z между ними минимальным. Наличие положительного зазора приводит к тому, что силы, приложенные к заготовке со стороны инструмента, образуют момент, равный произведению равнодействующих этих элементарных сил на плечо, несколько большее, чем зазор Z. Наличие момента приводит к стремлению заготовок повернуться и согнутся. Для предотвращения этого поворота обычно хотя бы одну из частей заготовки прижимают к инструменту (давлением Q, рис. 46).

Процесс деформирования можно разделить на три стадии: упругая деформация, пластическая и скалывание. Пластическая деформация сначала сосредотачивается у режущих кромок и по мере их внедрения распространяется на всю толщину, вызывая смещение одной части заготовки относительно другой. Из-за наличия предшествующих упругих деформаций и некоторого поворота заготовки вследствие действия момента на первой стадии внедрение режущих кромок вызывает образование гладкого блестящего пояска на поверхности среза. При достижении предельной величины деформации от режущих кромок образуются трещины, быстро развивающиеся в толщину заготовки; при слиянии этих трещин происходит отделение одной части заготовки от другой. На поверхности среза можно видеть за блестящим пояском характерную поверхность излома металла (рис. 46б), расположенную под некоторым углом β к вертикали. Средняя величина β колеблется от 4 до 6º, уменьшаясь с увеличением прочностных характеристик материала заготовки, а глубина внедрения режущей кромки h до появления трещины колеблется от 0,1 до 0,5 толщины заготовки, увеличиваясь с увеличением пластичности материала. Из простой геометрической зависимости: , можно сделать вывод, что величина зазора, обеспечивающая слияние трещин, уменьшается с повышением пластичности разделяемого металла.

    Уменьшение зазора по сравнению с этой оптимальной величиной приводит к тому, что трещины не встречаются и поверхность среза получается рваной, с поясками дополнительных срезов. При увеличении зазора относительно оптимального, трещины сливаются, но наклон поверхности среза β возрастает, увеличивается вероятность образования торцевого заусенца, увеличиваются искажения, вызванные действием момента с увеличением плеча сил. Протяженность зоны пластических деформаций увеличивается с увеличением зазора и по мере притупления режущих кромок. В то же время с уменьшением зазора увеличиваются нормальные контактные напряжения σz (рис. 46), что приводит к более быстрому притуплению и износу боковых поверхностей режущего инструмента.

    После разделительных операций чаще всего имеет значение для дальнейшей обработки заготовок тот факт, что около поверхности среза на глубину пластических деформаций имеет место упрочнение металла. Наличие упрочненной зоны нежелательно, если последующее пластическое деформирование сопровождается растягивающими напряжениями в этой зоне; если наклепанные участки при эксплуатации детали получают циклические нагрузки или если деталь работает в агрессивной среде. Опыты показывают, что ширина наклепанного слоя от поверхности раздела составляет до половины толщины заготовки.

    Отрезка – отделение заготовки по незамкнутому контуру, осуществляется на ножницах или штампах.

    При отрезке на ножницах с поступательным движением параллельных режущих кромок необходимое усилие можно приближенно определить по формуле:

P = S∙B∙σср∙k,

где S – толщина листа;

B – длина линии разделения;

σср – сопротивление срезу;

k=1,1…1,3 – коэффициент, учитывающий отклонение реальных условий от тех, при которых находятся σср.

    Для уменьшения усилия используют ножницы с углом наклона α между режущими кромками – гильотинные (рис.47). С увеличением угла α усилие отрезки уменьшается, но угол α должен быть меньше угла трения, чтобы заготовка не выжималась из-под режущих кромок; кроме того, с увеличением α увеличивается изгиб-скручивание отрезаемой полосы. Обычно угол α составляет от 2 до 8º (в зависимости от максимальной толщины разрезаемого на ножницах листа). На гильотинных ножницах в холодном состоянии режут листовой металл толщиной до 40 мм.

    При отрезке на дисковых ножницах ножи в виде дисков осуществляют не только разделение заготовки, но и ее подачу к ножам (рис. 47,б). Дисковые ножницы позволяют разделять заготовки по кривой линии неограниченной по существу длины; производительность при этом больше, чем на гильотинных ножницах. Однако отрезаемые полосы искривляются сильнее и нуждаются в правке. Используют диаметр ножей от 52 до 250 мм. Режут лист толщиной до 20 мм.

    Вырезкой называют операцию последовательного разделения заготовок по замкнутому контуру. Эта операция наиболее характерна для ремонтного производства, когда применение специализированного инструмента (штампов) экономически не оправдано.

    Вырезку чаще осуществляют на дисковых и вибрационных ножницах. Дисковые ножницы для вырезки отличаются тем, что оси ножей расположены к плоскости разрезаемого листа под углом, отличным от 90º, а чаще всего под углом 45º (рис. 48а). Заготовка обычно поворачивается относительно ножей вручную; чтобы сделать возможным легкий поворот заготовки относительно ножей, их режущие кромки не доходят друг до друга и имеют зазор по вертикали C ≈ (1/3…1/4)∙S, где S – толщина листа. Такой зазор гарантирует разделение листа, т.к. его величина (как указывалось выше) гарантированно меньше части толщины листа, на которой происходит скалывание.

    Кроме того, поворот заготовки относительно ножей облегчает боковая поверхность конической формы. Последняя позволяет получить минимальную кривизну линии реза, равную кривизне проекции режущей кромки на плоскость листа.

    Вибрационные ножницы, применяемые также для вырезки, представляют собой как бы миниатюрные гильотинные ножницы с малым рабочим ходом (2…3 мм), с длиной ножей 3…10 мм и большим числом ходов (20…40 ходов в секунду), (рис. 48,б). Угол створа у этих ножей – 20…30º, что вынуждает применять принудительную подачу заготовок к ножам. Из-за большого угла створа и малого захода одного ножа за другой можно вырезать заготовки с малыми радиусами кривизны (порядка 15 мм).

     Однако качество среза часто бывает неудовлетворительным из-за быстрого затупления ножей и прерывистости процесса разделения.

    При вырубке и пробивке верхняя подвижная режущая кромка обычно расположена на пуансоне, а нижняя – на матрице; расположены режущие кромки в параллельных плоскостях, поэтому процесс разделения заготовки происходит одновременно по всей замкнутой линии раздела. Это приводит к тому, что напряжения, действующие со стороны металла на боковые поверхности инструмента, при прочих равных условиях будут меньше, чем при отрезке. Но если располагать линию разделения близко к краю заготовки (или пробитого отверстия), то нормальные напряжения, действующие на боковую поверхность пуансона, будут неравномерно распределены по периметру линии раздела. Это может привести к различной величине зазора по периметру. Вследствие чего ухудшается качество поверхности среза и снижается стойкость инструмента.

    При вырубке размеры детали совпадают с размерами матрицы, а при пробивке размеры отверстия – с пуансоном. В случае вырубки все размеры ставят на чертеже матрицы, а на чертеже пуансона делают примечание: «Пуансон пригнать по матрице с зазором Zmin» (в случае пробивки – наоборот). Однако это относится к вырубке и пробивке так называемым «жестким» инструментом, т.е. металлической парой пуансон – матрица. Учитывая важность точного зазора между ними, понятна необходимость штампа с направляющими, а также устройствами для прижима заготовки к матрице, съема ее с пуансона др. Однако такой специализированный инструмент в ремонтном производстве себя обычно не окупает. В таком случае бывает целесообразным применять процессы вырубки и пробивки с использованием дешевой, хотя бы частично универсальной оснастки, например, вырубку резиной и пластичными металлами.

    При вырубке резиной (рис. 49) на подштамповую плиту устанавливают стальной шаблон 1, наружный контур которого соответствует контуру вырезаемой детали 2. Роль матрицы выполняет резиновая подушка 3, заключенная в контейнер 4, прикрепленный к ползуну пресса, при опускании которого резина сначала отгибает свисающие края заготовки, прижимает их к подштамповой плите и затем обрывает по наружной острой кромке шаблона. Таким же образом может производится и пробивка отверстий. 

    Детали, полученные вырубкой резиной, имеют обычно нечистые рваные края, поэтому после вырезки деталей нужна зачистка (опиловка) их кромок.

    Требуемое усилие при вырубке резиной определяется исходя из площади свободной поверхности резиновой подушки и давления на нее, необходимого для вырубки материала данной марки и толщины. Конфигурация детали и длина ее контура в данном случае существенного значения не имеют, т.к. усилие сжатия резины значительно превышает усилие вырубки, которым можно пренебречь. Затраты большей части работы на сжатие резины является недостатком данного процесса.

    В процессе штамповки происходит износ и разрушение поверхностного слоя резины, которая должна обладать определенными механическими свойствами. В то же время в авторемонтных цехах для вырубки металлических прокладок и других деталей вместо листовой резины с успехом применяют пластины, вырезанные из изношенных покрышек. Лучшим, чем резина, комплексом механических свойств обладает полиуретан, существующий в форме нескольких марок. Вместо резины для вырубки небольших деталей из тонкого листа (до ≈ 8 мм) иногда используют пластичные металлы. В этом случае пуансон вдавливает листовую заготовку в пластину из более мягкого пластичного металла. Толщина подкладки должна составлять от 3 до 4 толщин штампуемого металла.

    Глубина вдавливания пуансона к моменту разделения металла заготовки зависит от пластичности металла подкладки, толщины и свойств штампуемого металла и некоторых других факторов. Например, при вырубке деталей толщиной до 0,5 мм на алюминиевой подкладке глубина вдавливания составляет 1,5…2 толщины заготовки, а при штамповке на свинцовой подкладке – 2,5…4 толщины заготовки.

    Вырубка пластичными металлами позволяет создать более высокое давление, чем при штамповке эластичными материалами; благодаря этому становится возможной вырубка более точных деталей сложной конфигурации. Поверхность среза при этом получается более высокого качества. Однако этот способ неэкономичен из-за большого расхода пластичного металла.

 

1.5.4. Формоизменяющие операции деформирования листового металла

        К формоизменяющим операциям листовой штамповки традиционно относят три основных: гибку, вытяжку и формовочные операции.

    Гибка, как формоизменяющая операция холодной листовой штамповки, имеет свои особенности в сравнении с гибкой для восстановления кривизны деталей и кузнечной гибкой. Прежде всего, схемы напряженно-деформированного состояния в случае изгиба узких заготовок и относительно широких листовых заготовок различны: в первом случае – объемное деформированное состояние, а напряженное состояние близко к плоскому, т.к. поперечное сечение образца деформируется во всех трех направлениях; во-втором – деформацию практически можно считать плоской, а напряженное состояние – объемным, ввиду значительного сопротивления, оказываемого большой шириной заготовки.

    Гибка листовой заготовки чаще всего производится на большие углы (по сравнению с правкой) и в холодном состоянии (в отличие от кузнечной гибки), поэтому надо учитывать в этом случае минимальные допустимые радиусы гибки и углы упругого пружинения.

    Относительные минимальные радиусы гибки (r/S)min зависят от материала, его состояния (отожженный или наклепанный) и расположения линии сгиба (поперек или вдоль «волокон» проката). Например, величина (r/S)min для стали 3 в отожженном состоянии поперек «волокон»  проката –0,1, а в наклепанном состоянии вдоль «волокон» проката – 1; для коррозионностойкой стали 12Х18Н9Т в отожженном состоянии соответственно 1 и 4.

    Конкретные значения углов пружинения и минимальных радиусов гибки для разных сплавов в зависимости от параметров процесса гибки приводятся в справочной литературе.

    Технологические приемы гибки очень разнообразны – кроме гибки в штампах, редко применяемой в ремонтном производстве, используют различное универсальное гибочное оборудование и приспособления. Так для изготовления цилиндрических обечаек произвольного радиуса и трубчатых деталей используют валковые машины. Изменяя положение осей на них можно согнуть лист на требуемый радиус без замены инструмента (рис. 50а). Для гибки деталей коробчатой формы и профилей используют гибочно-штамповочные и кромкогибочные прессы, у которых комплект универсального инструмента - съемных линеек, позволяет гнуть детали разнообразных сечений (рис. 50б).

    Вытяжка, или как ее иногда называют – глубокая вытяжка, при которой главной и наибольшей по величине деформацией является деформация тангенциального сжатия в плоском фланце заготовки, требует обычно применения пуансона и матрицы с точным взаимным позиционированием, прижима, съемника и других деталей, но для ремонтного производства использование таких, достаточно сложных штампов, не оправдано.

    Формовочные операции в ремонтном производстве находят применение. Они в большинстве случаев могут выполняться с помощью частично универсального, упрощенного инструмента. В формовочных операциях происходит местная пластическая деформация различного характера на отдельных частях заготовки. К ним относят отбортовку, раздачу, обжим, рельефную формовку.

    Отбортовка – операция получения горловин в плоской или пространственной заготовке путем вдавливания в отверстие матрицы части заготовки с предварительно пробитым отверстием (рис. 51). Напряженное состояние в этой части заготовки - двухосное растяжение. Основная деформация – тангенциальная деформация растяжения, толщина заготовки во всем очаге деформации уменьшается.

    Количественный показатель деформации при отбортовке – коэффициент отбортовки К0:

К0 = d/D,

где d – диаметр отверстия до отбортовки;

D – диаметр отбортовки (по средней линии).

    При предельном значении коэффициента отбортовки у края горловины появляются продольные трещины. Минимальные предельные значения К0 при холодной отбортовки зависят о пластических свойств деформируемого металла, способа получения отверстия в исходной заготовке, отношения толщины листа к диаметру отверстия. Для малоуглеродистой стали, например, при относительной толщине 0,05 и пробивке отверстия штампом К0≈0,5, а при сверлении отверстия К0≈0,45; такой же коэффициент отбортовки при относительной толщине 0,1 и пробивке отверстия штампом.

    Диаметр отверстия заготовки d обычно находят из условия, что длина образующей при отбортовке не изменяется, т.е.

d = D +2(rм + S/2) – 2h.

    Радиус скругления матрицы rм берут увеличенным, так же как и зазор между матрицей и пуансоном, когда отбортовка производится с целью увеличения жесткости конструкции. Если отбортовку применять для того, чтобы иметь цилиндрическую стенку под резьбу или запрессовку осей, то радиус скругления rм берут меньше, однако при этом кромка утоняется больше и увеличивается усилие отбортовки.

    Раздача – операция, предназначенная для увеличения диаметра краевой части полой цилиндрической заготовки. Осуществляется раздача внедрением в заготовку пуансона с увеличивающимся диаметром по длине (рис. 52). Как и при отбортовке, краевая часть заготовки, деформирующаяся в условиях, близких к линейному растяжению, получает наибольшее тангенциальное удлинение. Допустимое за одну операцию увеличение диаметра трубной заготовки ограничивается в одних случаях предельной тангенциальной деформацией, при которой металл разрушается, а в других – потерей устойчивости недеформируемой части при предельном усилии на пуансоне.

    Как при отбортовке, на величину допустимого без разрушения заготовки увеличения диаметра краевой части оказывают влияние сходные факторы, в частности, состояние металла у края заготовки и отношение толщины заготовки к ее диаметру.

    На величину допустимой степени деформации – коэффициента раздачи Кр=d\D, заметное влияние оказывает угол конусности пуансона. Оптимальное значение угла конусности α составляет примерно 15…20º и увеличивается с увеличением коэффициента трения.

    Величина коэффициента раздачи Кр для разных сплавов приближенно лежит в пределах 0,73…0,83.

    Обжим – операция, предназначенная для уменьшения поперечных размеров краевой части полой цилиндрической заготовки. Деформирование заготовки при обжиме осуществляется рабочим инструментом – матрицей (рис. 53); заготовка заталкивается в воронкообразную рабочую полость матрицы.

    Схема напряженного состояния в очаге деформации близка к схеме плоского напряженного состояния со сжимающими радиальным и тангенциальным напряжениями. Поэтому формоизменение заготовки при обжиме ограничивается не возможностью ее разрушения, а потерей устойчивости, выражающейся в образовании либо кольцевой складки в цилиндрической недеформируемой части заготовки, либо продольных складок в очаге деформации под действием тангенциальных сжимающих напряжений. Вероятность потери устойчивости возрастает с уменьшением относительной толщины заготовки; по справочным данным потеря устойчивости происходит при S/D ≤ 0,025, где D – средний диаметр трубы, а S – толщина стенки.

    Образованию продольных складок способствует уменьшение коэффициента трения между матрицей и заготовкой. С коэффициентом трения связан и оптимальный угол конусности матрицы, который увеличивается с увеличением коэффициента трения. Так при хорошей смазке и чистой поверхности заготовки угол α принимают равным 20…25º, а при худших условиях на контакте – 12…16º.

    Формоизменение количественно характеризуют коэффициентом обжима: Коб = d/D, где d – диаметр после обжима. Предельный коэффициент обжима зависит не только от относительной толщины и геометрии, как следует из выше сказанного, но и от свойств сплава: для стальных заготовок предельный коэффициент обжима приближенно равен 0,85..0,9; для алюминиевых и латунных – 0,8…0,85.

    Значительного увеличения допустимого коэффициента обжима можно достигнуть, если предусмотреть специальное устройство, ограничивающее возможность образования поперечной складки – наружный или двухсторонний подпор.

    Конические детали с большим перепадом диаметров можно получить, совмещая в одной операции раздачу и обжим (рис.54).

    Рельефная формовка – операция, заключающаяся в образовании местных углублений и выпуклостей за счет растяжения материала и местного уменьшения его толщины. Взаимодействие пуансона и матрицы с листовой заготовкой при формовке (рис. 55а) то же, что при вытяжке со степенью, большей предельной, до момента образования разрыва, так как рельефная формовка не предусматривает перемещения фланца, ее реально осуществлять в ремонтном производстве упрощенным инструментом – матрицей с прорезью нужной конфигурации и резиновой подушкой (рис. 55, б).

    Для деформирования металла в этом случае характерно резкое нарастание утонения стенки при относительно небольшой глубине. Это утонение не зависит от свойств листового металла, а только от относительной глубины полости h/b.

    Максимальное значение h/b зависит от толщины листового металла и его свойств. Например, при одинаковой толщине листа у сплава Д16 наибольшее значение h/b=0,22, а для стали 12Х18Н9Т - h/b=0,34.

    Усилие, необходимое для формовки резиной определяется исходя из площади поверхности резиновой подушки и давления сжатия резины; последнее можно определить по эмпирическим графикам в зависимости от величины h/b и материала.

    Наибольшее распространение рельефная формовка находит для штамповки ребер, предназначенных для увеличения жесткости не только у вновь устанавливаемых деталей, но и у тонкостенных оболочек, подвергаемых правке. При короблении таких деталей, к которым предъявляются высокие требования по плоскостности, правка на плоском штампе результатов не дает, т.к. практически осуществляется в упругой области. В этом случае по периметру детали формовкой делают ребро жесткости, а потом правят в плоском штампе. За счет местного упрочнения ребро жесткости удерживает деталь от коробления и после своего спрямления. 


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 507; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!