Поверхностная пластическая деформация
Повышение долговечности деталей машин методом поверхностного пластического деформирования (ППД) или поверхностного наклепа широко используется в промышленности для повышения сопротивляемости малоцикловой и многоцикловой усталости деталей машин. На рис. 155 приведены схемы различных методов ППД.
Поверхностное упрочнение достигается (ГОСТ 18296-72): 1) дробеструйным наклепом за счет кинетической энергии потока
Рис. 155. Схемы поверхностной пластической деформации: а - дробеструйная упрочняющая обработка; б - чистовая обработка - обкатыванием шаром; в - обработка дорнованием; г - центробежно-шариковая чистовая обработка; д - обработка чеканкой; е - упрочнение взрывом; ж - упрочнение виброобкатыванием; з - алмазное выглаживание
чугунной или стальной дроби; поток дроби на обрабатываемую поверхность направляется или скоростным потоком воздуха, или роторным дробеметом (рис. 155, а); 2) центробежно-шариковым наклепом за счет кинетической энергии стальных шариков (роликов), расположенных на периферии вращающего диска; при вращении диска под действием центробежной силы шарики отбрасываются к периферии обода, взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью и отбрасываются в глубь гнезда; 3) накатыванием стальным шариком или роликом (рис. 155, б); передача нагрузки на ролик может быть с жестким или упругим контактом между инструментом и обрабатываемой поверхностью (разновидности этих способов - накатывание вибрирующим роликом, раскатывание отверстий роликами и др.); 4) алмазным выглаживанием оправкой с впаенным в рабочей части алмазом (рис. 155, з); оно позволяет получать блестящую поверхность с малой шероховатостью.
Толщина деформированного слоя
Толщина деформированного слоя зависит от приложенной силы Р и предела текучести; средние контактные нагрузки для низкоуглеродистых сталей 1600-1800 МПа,. среднеуглеродистых 1800-1900 МПа и высокоуглеродистых 2700-3000 МПа. При обкатке шарами диаметром 10-20 мм подача составляет 0,1-0,2 мм/об при скорости обкатывания 50 - 100 м/мин. При алмазном выглаживании сила выглаживания 50 - 350 Н, подача 0,02-0,1 мм/об и скорость 20-200 м/мин. Радиус рабочей части алмаза при обработке мягких материалов (низкоуглеродистая сталь, цветные сплавы) равен 2-3 мм и твердых материалов (58-64 HRC)-0,5-1,5 мм. Обкатывание проводят с применением смазочно-охлаждающих жидкостей, что уменьшает коэффициент трения, снижает температуру в месте контакта и повышает стойкость инструмента.
Поверхностное деформирование повышает плотность дислокации в упрочненном слое, измельчает субструктуру (величину блоков), а при обработке закаленных поверхностей уменьшает количество остаточного аустенита.
При ППД происходит увеличение поверхности, которому препятствуют нижележащие недеформированные слои. Как следствие этого, на поверхности образуются остаточные сжимающие напряжения, а в сердцевине - растягивающие. С повышением усилия обкатки Р величина остаточных напряжений сжатия на поверхности возрастает, достигая для стали 45ХНФА значения, превышающего 1000 МПа. Одновременно возрастают остаточные напряжения и по толщине упрочненного слоя. После алмазного выглаживания абсолютная величина остаточных напряжений выше, но на меньшей толщине, чем после обкатки роликами.
Упрочнение поверхности
Упрочнение поверхности и образование сжимающих остаточных напряжений резко повышает предел выносливости. Обкатка (дробеструйная обработка) практически устраняет влияние концентраторов напряжений на предел выносливости. Предел выносливости обкатанных образцов с концентраторами напряжений достигает предела выносливости гладких образцов. После алмазного выглаживания предел выносливости повышается на 30 - 50 %. Чем выше твердость стали, тем выше эффект от обработки ППД. Поверхностный наклеп создает реальные возможности применения высокопрочных сталей (после закалки и низкого отпуска) для деталей с конструктивными и технологическими концентраторами напряжений при действии значительных циклических нагрузок. Важно, что ППД повышает сопротивление коррозионной и контактной усталости.
ППД является эффективным методом локального упрочнения мест концентраций напряжений. Поверхностное пластическое деформирование повышает твердость поверхности, в результате чего возрастает сопротивление износу. ППД также способствует снижению шероховатости поверхности и созданию микронеровностей по форме, близкой к образующейся после приработки. ППД деталей, работающих в условиях трения и изнашивания, повышает износостойкость по сравнению со шлифованием в 1,5-2 раза. Одновременно возрастает сопротивление схватыванию и фреттинг-коррозии.
