1.2. Процессы, протекающие в поверхностном слое при ппд

1.2.1. Обработка ппд пластичных материалов

Под пластичными материалами будем понимать незакаленные стали, а также цветные металлы и сплавы.

ППД осуществляется с помощью различных деформирующих инструментов (роликов, шариков, выглаживателей, бойков и т.п.), имеющих твердость (обычно HRC ³ 65 ) бóльшую, чем твердость обрабатываемой заготовки. В зоне контакта инструмента и заготовки создают высокое давление, под действием которого микронеровности обрабатываемой поверхности пластически деформируются, сминаются полностью или частично. В результате образуется новый микрорельеф, причем в оптимальном диапазоне режимов ППД шероховатость поверхности резко уменьшается. В зависимости от различных факторов (способа ППД, режимов, обрабатываемого материала и т.д.) шероховатость обрабатываемой поверхности уменьшается с исходной R_z=5–12 мкм до R_a=0,04–0,1 мкм.

Необычна форма микронеровностей поверхности после ППД. На рис. 1.1. приведены профили микронеровностей, образующихся при различных видах обработки (увеличение: верт. х 1000, гор. х 25) : а) точение (S=0,13 мм/об); б) шлифование (S = 0,06 мм/об); в) накатывание ( S= 0,5 мм/об); г) вибронакатывание (S= 0,2 мм/об) .

Рис. 1.1. Профили микронеровностей поверхности, обработанной:

а) точением;

б) шлифованием;

в) накатыванием;

г) вибронакатыванием.

В табл. 1.1 приводятся сравнительные данные некоторых параметров для различных видов резания и ППД.

Таблица 1.1. Сравнительная характеристика параметров _____ шероховатости для различных видов резания и ППД.

Вид обработки	Ra, мкм	r, мкм	r/RZ max	b, град
Точение	0,32–0,63	120	40	–
Круглое шлифование	0,32–0,63	22	7	9–10
Хонингование	0,32–0,63	4	1,2	–
Накатывание шариком	0,32–0,63	900	300	3–5
Вибронака- тывание	0,32–0,63	7700	2500	1,2–2

Из приведенных данных видно, что форма микронеровностей после ППД характеризуется несравнимо бóльшими величинами радиуса закругления вершин неровностей r, и отношения r/R_{Z max} (R_{Z max} – наибольшая высота неровностей профиля).

ППД металла, осуществляемое в холодном состоянии, сопровождается упрочнением его поверхностного слоя - наклепом. При этом существенно повышаются показатели сопротивления металла деформированию, такие как твердость, пределы текучести, прочности и пр., а показатели пластичности, такие, как относительное остаточное удлинение и сужение, незначительно снижаются.

По современным научным представлениям основной причиной упрочнения является лавинообразное развитие дислокаций в пластически деформированном слое. Последние скапливаются вблизи линий сдвигов и затем застревают перед различными препятствиями, которые образуются в процессе деформации или существовали до нее (пересечение траекторий движения дислокаций, межкристаллитные граничные слои и т.п.).

Упрочнение металла при ППД сопровождается повышением твердости поверхностного слоя, которое принято характеризовать степенью и глубиной наклепа. На рис. 1.2 приводятся типичные кривые изменения твердости по сечению детали, обработанной ППД.

Рис. 1.2. Типичные кривые изменения твердости по сечению заготовки,

обработанной ППД.

Степень наклепа (СН) – это степень увеличения твердости поверхности после ППД, она подсчитывается по формуле:

, (1.1)

где - твердость поверхности после обработки ППД;

- исходная твердость обрабатываемого материала.

В зависимости от режимов ППД и обрабатываемого материала степень наклепа колеблется от 10–15% до 100–120%.

Глубина наклепа (δ) - это глубина слоя с повышенной твердостью (рис.1.2).

В зависимости от способа ППД и его режимов глубина наклепа колеблется от нескольких сотых – десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров – десятков миллиметров.

Если давление в зоне контакта инструмента и заготовки выше некоторой критической величины, возникает перенаклеп – явление, при котором происходит разрушение кристаллической решетки в поверхностном слое заготовки, сопровождаемое шелушением и отслаиванием частичек металла. При этом работоспособность поверхности резко падает. Перенаклеп необратим, термообработка не восстанавливает качество исходного металла.

При ППД в поверхностных слоях обработанных деталей формируются осевые и тангенциальные (окружные) остаточные напряжения сжатия, а также незначительные радиальные напряжения растяжения, у поверхности равные нулю. Это происходит потому, что ППД, как было сказано выше, вызывает лавинообразное развитие дислокаций и вакансий, образование в деформированном объеме микропор и микропустот. При этом плотность металла в поверхностном слое уменьшается. (Например, при холодной прокатке меди со степенью деформации 80% ее плотность уменьшается на 0,67%. Плотность отожженной стали после холодной деформации уменьшается на 1,1%). Это ведет к увеличению удельного объема поверхностных пластически деформированных слоев металла до 1%, а следовательно, к увеличению линейных размеров. Но, так как металл является непрерывной, сплошной субстанцией, этому увеличению препятствуют его нижележащие упругодеформированные слои. Поэтому после ППД поверхностные слои металла несколько удлиняются, растягивая в силу сплошности металла его нижележащие слои. А последние не дают наружным слоям увеличивать их размеры в полной мере, "придерживают" их. В результате в наружных пластически деформированных слоях создаются остаточные напряжения сжатия, а в нижележащих слоях - напряжения растяжения. В зависимости от материала заготовки и способа ППД остаточные напряжения сжатия могут достигать 1200–1500 МПа.

Так как объем поверхностного пластически деформированного слоя невелик, напряжения сжатия в нем значительно больше, чем напряжения растяжения в нижележащих слоях. При этом осевые остаточные напряжения сжатия обычно в 1,5–2 раза превышают тангенциальные, а радиальные напряжения растяжения по абсолютной величине в 4–10 раз меньше тангенциальных.

Глубина слоя металла с остаточными напряжениями сжатия в 1,3–2 раза и более превышает глубину слоя с повышенной твердостью.

При ППД происходит нагрев локальных участков поверхностных слоев. Температура может достигать 300–400 – при накатывании, 600–700 – при выглаживании, 800–1000 – при ударных методах.

Таким образом, обобщая вышеизложенное, приходим к выводу, что ППД пластичных материалов вызывает следующие благоприятные изменения в поверхностном слое металла:

1. резко уменьшается исходная шероховатость поверхности;

2. формируется новый микрорельеф поверхности с несравнимо

бóльшими значениями r, r/R_{Z max};

3. повышается твердость поверхностного слоя;

4. в поверхностных слоях создаются остаточные напряжения сжатия.

Именно поэтому обработка ППД в последние десятилетия широко применяется для обработки самых различных деталей машин с целью уменьшения шероховатости поверхностей, повышения их износостойкости, сопротивления усталости, коррозионной стойкости, контактной усталости и других эксплуатационных показателей качества.