Одинцов Л.Г. - Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием

Одинцов Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. — М.: Машиностроение, 1987, 328 с, ил. (В пер.): 1 р. 40 к.

Приведены основные данные о методах ППД. применяемых инструментах, оснастке и оборудовании, об эксплуатационных свойствах деталей, обработанных ППД. Даны практические рекомендации по эффективному использованию различных методов на основе анализа особенностей, преимуществ и недостатков каждого метода, а также рекомендации по выбору оптимальных параметров обработки.

Справочник предназначен для инженерно-технических работников машиностроительных и приборостроительных предприятий.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года» сказано: «Осуществить комплекс мероприятий по совершенствованию технологии производства. Расширить в двенадцатой пятилетке в 1,5—2 раза применение прогрессивных базовых технологий. Обеспечить, чтобы все вновь осваиваемые виды техники по производительности и надежности превосходили не менее чем в 1,5—2 раза выпускаемую аналогичную продукцию».

Надежность работы машин непосредственно связана с качеством поверхностного слоя деталей, которое характеризуется геометрическими и физико-механическими параметрами. При эксплуатации детали машин контактируют друг с другом или с окружающей средой. От качества поверхностного слоя зависят эксплуатационные свойства — сопротивление усталости, износостойкость, коррозионная стойкость, сопротивление контактной усталости и др. В связи с интенсификацией эксплуатационных процессов, увеличением скоростей перемещения рабочих органов, повышением температур и давлений роль качества поверхностного слоя значительно возрастает. Связь характеристик качества поверхностного слоя с эксплуатационными свойствами деталей свидетельствует о том, что оптимальная (с точки зрения повышения эксплуатационных свойств деталей) поверхность должна быть достаточно твердой, должна иметь сжимающие остаточные напряжения, мелкодисперсную структуру, сглаженную форму микронеровностей с большой площадью опорной поверхности.

С помощью широко применяемых методов окончательной обработки (шлифование, хонингование, доводка) создается необходимая форма деталей с заданной точностью, но часто не обеспечивается оптимальное качество поверхностного слоя. Оно достигается поверхностным пластическим деформированием (ППД), при котором стружка не образуется, а происходит тонкое пластическое деформирование поверхностного слоя. В результате упрочняется поверхностный слой, повышается износостойкость, стойкость к коррозионным воздействиям и т. д. Во многих случаях применением ППД удается повысить запасы прочности деталей, работающих при переменных нагрузках, в 1,5—3 раза и увеличить срок службы деталей в десятки раз.

По каждому или почти по каждому методу ППД имеются отдельные монографии, брошюры, отраслевые стандарты и т. д. Сведения по методам ППД рассеяны в многочисленных статьях, сборниках и других публикациях. В этих работах методы ППД рассматриваются, как правило, обособленно, без связи с другими методами поверхностного деформирования. В справочнике сделана попытка с единых позиций рассмотреть все методы ППД, объективно оценить их эффективность для различных условий применения. Автор надеется, что предлагаемый справочник даст возможность работникам промышленности оценить каждый метод ППД с учетом его особенностей, а также поможет в каждом конкретном случае определить оптимальные параметры обработки.

Глава 1

ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ И КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ППД

1.1. ПОНЯТИЕ О ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ

При изготовлении и эксплуатации деталей машин на их поверхностях образуются неровности и микронеровности, а слой металла, непосредственно прилегающий к поверхности, изменяет структуру, фазовый и химический состав, в нем возникают остаточные напряжения.

Слой металла, имеющий отличающиеся от основной массы детали структуру, фазовый и химический состав, называют поверхностным. В условиях эксплуатации поверхностный слой детали подвергается наиболее сильному физико-химическому воздействию: механическому, тепловому, магнитоэлектрическому, световому, химическому и др. В большинстве случаев у детали начинают ухудшаться служебные свойства поверхности, например, износ, эрозия, кавитация, коррозия, усталостные трещины и другие разрушения развиваются вначале на поверхности. Поэтому к поверхностному слою предъявляются обычно более высокие требования, чем к основной массе детали.

Реальная поверхность физического тела несовершенна. Различают следующие геометрические отклонения поверхностей в зависимости от отношения шага S к высоте неровностей Rz: при S/Rz<.50— шероховатость поверхности, при S/Rz = 50 ... 1000 — волнистость поверхности и при S/Rz> 1000 — макроскопические отклонения или отклонения от правильной геометрической формы (конусность, овальность, вогнутость и др.). Дефекты поверхности — это отдельные неровности, совокупность неровностей или участки поверхности, размеры которых существенно отличаются от параметров шероховатости и волнистости. К дефектам поверхности относят риски, царапины, вмятины, раковины, поры, сколы, выкрашивания, трещины, задиры, заусенцы и др.

Шероховатость поверхности регламентируется ГОСТ 2789—73, в котором предусмотрено нормирование шероховатости по высоте (Rz, Ra, Rtiax) и по параметрам, характеризующим форму, расположение и направление микронеровностей в пределах базовой длины — среднему шагу неровностей Sm, среднему шагу неровностей по вершинам S и относительной опорной длине профиля tp.

Волнистость может образоваться на поверхности детали при ее изготовлении в результате вибраций системы станок—приспособление—инструмент—заготовка. Различают волнистость поперечную — с расположением волн перпендикулярно к движению режущего инструмента и продольную — с расположением волн в направлении движения инструмента.

Волнистость поверхности до настоящего времени не стандартизирована и при ее назначении руководствуются отраслевыми нормалями или рекомендациями СЭВ, которые для оценки волнистости поверхности устанавливают три параметра: высоту волнистости Wt, наибольшую высоту волности Wmax и средний шаг волнистости Se (рис. I).

Физико-механические свойства поверхностного слоя изменяются при изготовлении деталей, а затем — во время эксплуатации под действием силовых, температурных и других факторов. Поверхность твердого тела по сравнению с его внутренней частью имеет ряд особенностей. Любой атом, расположенный внутри твердого тела с идеальной кристаллической решеткой, находится в состоянии подвижного устойчивого равновесия, поскольку для него по всем направлениям интенсивность силового поля одинакова. В ином положении оказываются атомы, которые находятся на поверхности: они имеют только односторонние связи — с металлом, поэтому их состояние неуравновешенное, неустойчивое; они более активны, обладают избыточной или свободной энергией по сравнению с атомами, находящимися внутри. Поверхность металла в реальных условиях адсорбирует атомы элементов окружающей среды, покрываясь слоями адсорбционных газов, паров воды, жиров и образуя различные окислы.

В результате диффузии в поверхностном слое возникают химические и иные соединения основного металла с проникающими извне веществами. Диффузионная подвижность атомов может привести к перераспределению концентрации легирующих элементов, в результате чего в отдельных случаях в поверхностном слое уменьшается содержание некоторых легирующих элементов (обезуглероживание поверхностного слоя в сталях и снижение количества хрома и алюминия в жаропрочных никелевых сплавах при высоких температурах нагрева и др.). Диффузия через поверхность оказывает сильное влияние на свойства металлов и прежде всего — на свойства их поверхностных слоев. Это особенно характерно в тех случаях, когда температура в зоне обработки деталей высока (шлифование, скоростное точение, цементация, азотирование и др.).

Остаточными напряжениями называют такие напряжения, которые существуют и уравновешиваются внутри твердого тела после устранения причин, вызвавших их появление. По протяженности силового поля различают следующие остаточные напряжения: напряжения первого рода, или макронапряжения, охватывающие области, размеры которых соизмеримы с размерами детали; они имеют ориентацию, связанную с формой детали, возникают от неоднородности силового, температурного поля внутри детали; напряжения второго рода, или микронапряжения, распространяющиеся на отдельные зерна или на группу зерен; напряжения третьего рода (субмикроскопические), относящиеся к искажениям атомной решетки; в этом случае термин «напряжения» является условным, иногда их называют статическими искажениями решетки или искажениями третьего рода.

Напряжения второго и третьего родов дезориентированы и не проявляются в виде коробления при разрезании детали на части. Основными причинами возникновения макронапряжений являются неоднородность пластической деформации и локальный, неоднородный нагрев металла поверхностного слоя, а при наличии превращений — разность объемов возникающих структур. Микронапряжения — местные остаточные напряжения в микрозонах. Они являются следствием фазовых превращений, изменения температуры, анизотропии механических свойств отдельных зерен, границ зерен и распада зерен на блоки при пластической деформации.

Причиной образования искажений кристаллической решетки являются, главным образом, дислокация и внедрение атомов. Степень и глубина наклепа обусловлены пластической деформацией поверхностного слоя н непосредственно связаны с увеличением дислокаций, вакансий и других дефектов кристаллической решетки металла. Более полная классификация параметров поверхностного слоя приведена в табл. 1.