2.2. Восстановление деталей способом пластического деформирования

В теме изучаются следующие вопросы:

- физические основы и виды пластического деформирования материалов;

- классификация и способы восстановления размеров деталей;

- упрочнение поверхностей и восстановление механических свойств деталей.

Физические основы и виды пластического деформирования материалов. Способ применяется для деталей, изготовленных из пластических материалов (сталь, ковкий чугун, бронза и др.). Он может быть распространен и для хрупких материалов, превращаемых в пластические путем нагрева или создания благоприятных условий нагружения. Изменение размеров и формы детали происходит за счет перераспределения материала самой детали. Восстановление деталей способом пластического деформирования основано на использовании пластичности их материала, которая зависит от химического состава, структуры материала и условий его деформирования. Чистые металлы имеют наибольшую пластичность, которая увеличивается при нагреве.

Различают холодное и горячее деформирование в зависимости от соотношения температур процесса и рекристаллизации. При холодном деформировании температура обработки меньше температуры рекристаллизации, а при горячем деформировании - наоборот. В холодном состоянии деформируют детали из сталей с твердостью 27...32 HRC и цветных металлов. Нагрев до температуры ковки уменьшает в 10...15 раз сопротивление деформированию по сравнению с процессом в холодном состоянии.

Пластическое деформирование применяют для восстановления размеров изношенных элементов деталей путем перераспределения материала из неизнашиваемого объема в зону износа, для правки деталей, для восстановления усталостной прочности, износостойкости и жесткости. Способ экономичен и обеспечивает высокое качество восстановления.

Восстановление размеров деталей пластическим деформированием включает подготовку детали, приложение деформирующего усилия и последующую обработку. Подготовка детали к деформированию представляет собой отжиг или высокий отпуск. Деформирующее усилие создает прессовое оборудование с применением соответствующей оснастки. Последующая обработка необходима для получения требуемых размеров.

Классификация и способы восстановления размеров деталей. По направлению внешних сил и вызываемых ими деформаций различают следующие способы восстановления размеров деталей: осадка, вытяжка, раздача, обжатие и вдавливание.

Осадку применяют для увеличения наружного размера сплошных деталей. При осадке действие силы перпендикулярно направлению деформации. В результате осадки площадь поперечного сечения детали увеличивается вследствие уменьшения ее высоты. Осадку применяют для восстановления пальцев, коротких осей и им подобных деталей. Для осадки применяют пневматические молоты и гидравлические прессы.

Вытяжку применяют для увеличения длины детали за счет уменьшения ее поперечного сечения. По сравнению с осадкой деформации и действующие силы поменялись местами и направлениями. Вытяжкой восстанавливают размеры толкателей при износе торцевых поверхностей.

Раздача выполняется при совпадении действующих сил и деформаций, направленных изнутри детали. Раздают поршневые пальцы, чашки дифференциала, втулки и другие детали для восстановления их по наружному диаметру. Механическую раздачу выполняют сферическими или цилиндрическими прошивками (дорнами).

При обжатии направления действующих сил и деформаций также совпадают, но направлены внутрь детали. Обжатие применяют для восстановления гильз и втулок по внутреннему диаметру, например, путем проталкивания деталей сквозь втулку-инструмент.

Вдавливание объединяет в себе признаки осадки и раздачи. В большинстве случаев действующая сила направлена под углом к направлению требуемой деформации. Одновременное протекание осадки и раздачи сохраняет длину детали, что является преимуществом способа. Вдавливание применяют при восстановлении зубьев шестерен, шлицев, шаровых пальцев и других деталей. Восстановление ведут при высокой температуре нагрева (сталь - 680...920 °С) в штампах.

Накатка - частный случай вдавливания. Ее применяют для увеличения наружного или уменьшения внутреннего размеров деталей за счет вытеснения металла из отдельных участков рабочих поверхностей. Накатку применяют для восстановления размеров шеек и отверстий под подшипники.

Поверхности, которые воспринимают при работе контактную нагрузку не более 7 МПа, накатывают специальным инструментом - зубчатым роликом (накатником) с прямыми или косыми зубьями.

В зависимости от вида энергии, затрачиваемой на пластическое деформирование, различают воздействия механическое, термопластическое и гидродинамическое.

Термопластическое деформирование применяют для восстановления гильз, поршней и поршневых пальцев. Для раздачи деталь нагревают в индукторе ТВЧ до температуры выше А_З (для стали 790...830 °С) и охлаждают изнутри потоком жидкости. Внутренние кольцевые слои материала, охлаждаясь, стремятся уменьшиться в диаметре, но им препятствуют нагретые наружные слои, поэтому внутренние слои пластически растягиваются и увеличиваются в диаметре по сравнению с первоначальным диаметром в холодном состоянии. При дальнейшем охлаждении внутренние слои утрачивают пластичность и превращаются в жесткую «оправку», которая препятствует уменьшению диаметров наружных слоев.

Гидродинамическая раздача поршневых пальцев основана на эффекте Л.А. Юткина. Сущность эффекта заключается в инициировании в жидкости, заполняющей внутреннюю полость детали, электрического разряда, создающего высокое гидравлическое давление, которое, в свою очередь, вызывает пластическое деформирование материала детали и обеспечивает припуск на абразивную обработку.

Восстановление геометрической формы деталей (правка). Правку деталей применяют для устранения остаточных деформаций изгиба, коробления или скручивания. Направление действующей силы при этом совпадает с направлением требуемой деформации и в большинстве случаев перпендикулярно оси детали. Правят валы, шатуны, оси, клапаны, тяги, рычаги, рамы, кронштейны и другие детали. Правку, как и другие виды пластического деформирования, ведут без нагрева и с нагревом.

Высокое качество обеспечивает правка наклепом. Точность правки при этом достигает 0,02 мм, наблюдается стабильность результата во времени и сохранение усталостной прочности. Коленчатый вал при правке устанавливают в призмы и пневматическим молотком, рабочая поверхность бойка которого имеет сферическую форму, наносят удары по не трущимся поверхностям щек. Поверхность детали, по которой наносились удары, принимает выпуклую форму.

Упрочнение поверхностей и восстановление механических свойств деталей. Пластическое деформирование в холодном состоянии упрочняет металл, при этом предел прочности и твердость металла повышаются, а пластичность снижается.

Усталостную прочность, жесткость и износостойкость деталей можно восстановить наклепом, который создает в приповерхностном слое металла сжимающие остаточные напряжения. Механическое упрочнение рекомендуется и для повышения усталостной прочности деталей, восстановленных наплавкой, гальваническими покрытиями и напылением.

Применяют следующие виды механического упрочнения поверхностей деталей: обкатывание (раскатывание), дробеструйная обработка, центробежная обработка.

Наибольшее применение получило обкатывание роликами и шариками для упрочнения наружных и внутренних поверхностей деталей. Внутренние поверхности (гильз цилиндров, отверстий в головках шатунов) упрочняют шариковыми или роликовыми раскатниками.

Упрочнение галтелей на коленчатых валах достигается обкаткой их профильными подпружиненными роликами, изготовленными из твердого сплава Т15К6 и касающимися при работе галтельных переходов детали. Более эффективным способом упрочнения галтелей на коленчатых валах является их чеканка.

Дробеструйная обработка применяется как для повышения жесткости упругих элементов (пружин, торсионов, рессорных листов), так и для увеличения усталостной прочности (шатунов, деталей сварных соединений). В качестве оборудования для обработки дробью применяют механические или пневматические дробеметы.

Центробежная обработка состоит в наклепе поверхности вращающимся инструментом в виде диска с радиальными отверстиями, в которые вмонтированы шарики с возможностью перемещения вдоль осей отверстий. Способ применяют, например, для упрочнения коленчатых и торсионных валов. Усталостная прочность в результате наклепа повышается на 30...60%.

Отделочно-чистовая обработка применяется в виде калибрования отверстий и алмазного выглаживания.

Калибрование отверстий выполняют путем перемещения в них с натягом деформирующего инструмента в виде шарика с подачей смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ). При первоначальной шероховатости R_a = 6,3...1,6 мкм получают R_a = 0,8...0,1 мкм для стали и 1,6...0,4 мкм - для чугуна.

Алмазное выглаживание придает восстанавливаемым поверхностям высокие износостойкость и усталостную прочность. Инструмент для выглаживания содержит наконечник с алмазом в виде закругленной иглы. Приспособление устанавливают на суппорте или в пиноли токарного станка. Поверхность под алмазное выглаживание предварительно шлифуют или растачивают. Усилие выглаживания не превышает 300 Н. В зону обработки подают индустриальное масло И-20А.