. Упрочнение поверхности детали шариками

Обкатка шариками чаще всего производится на токарных или спе­циальных станках. Обрабатываемая деталь закрепляется в центрах или патроне, а обкатное приспособление — в резцедержателе.

Особенность процесса обкатки шариками заключается в их са- моустанавливаемости относительно обрабатываемой поверхности детали, что обеспечивает лучшие условия пластического деформи­рования металла, позволяет работать с меньшим давлением и по­лучать более низкую шероховатость поверхности. Недостаток ша­риковых обкаток по сравнению с роликовыми — низкая произво­дительность.

Усилие обкатки зависит от твердости, пластичности и структуры металла, шероховатости поверхности, конструктивных особеннос­тей детали и инструмента. Усилие обкатки Р при обработке детали шариками можно определить опытным путем или по формуле

где 0Т — предел текучести металла, МПа.

Особенности шариковых устройств: использование стандартных шариков (диаметр шарика обычно 10…35 мм, изготавливается из ста­ли ШХ15, закаленной до HRC 60…62) с высокими точностью обработ­ки и качеством поверхности; отсутствие материальной оси вращения шариков и самоустанавливаемость их относительно обрабатываемой- поверхности под действием сил обкатки и трения; отсутствие или незначительность проскальзывания шариков; незначительные силы об­работки, связанные с точечным (условно) контактом инструмента и обрабатываемой поверхности; меньшие подачи, чем при использова­нии роликовых устройств. Область рационального применения шари­ковых устройств — обработка маложестких и неравножестких дета­лей, в том числе деталей с высокой поверхностной твердостью.

Наружные цилиндрические поверхности обрабатывают одноша­риковыми (рис. 2.19) и многошариковыми (рис. 2.20) обкатниками различных типов. Сила трения между деформирующим шариком и опорой должна быть меньше силы трения между шариком и обраба­тываемой поверхностью. Для этого применяют следующие виды опор: один, два или три стандартных шарикоподшипника, расположенных под углом 90° друг к другу (рис. 2.19, а); шарики меньшего диаметра, чем рабочие, охватывающие половину или более сферической повер­хности шарика (рис. 2.19, б); опорные шайбы из фторопласта или дру­гого антифрикционного материала. Малый коэффициент трения фто­ропласта (чаще всего ФП-4 и ФП-3) и его высокая износостойкость обеспечивают надежную работу фторопластовых опор шариков ди­аметром более 10 мм при обкатке и виброобкатке.

а б _________ Рис. 2.19. Одношариковый обкатник с опорой на шарикоподшипники (д) и на шарики меньшего диаметра (б): I — державка (шток); 2 — шариковый подшипник; 3 — деформирующий шарик; 4 — крышка; 5 — корпус; 6 — опорные шарики меньшего диаметра; 7 — упругая державка; 8 — стержень; 9 — индикатор; 10 — обкатываемая деталь

Способ упрочнения центробежно-шариковым наклёпом (рис. 2.20) основан на использовании центробежной силы стальных шариков диаметром 7…12 мм, свободно перемещающихся в гнездах специ­ального приспособления, вращающегося со скоростью 20…40 м/с над обрабатываемой поверхностью. Встречая на своем пути деталь, дви­жущуюся навстречу шарикам со скоростью 30…90 м/мин, каждый шарик с силой ударяется об обрабатываемую поверхность, произ­водит наклёп и сглаживание поверхностей.

По легкости управления описанный процесс приближается к точе­нию и шлифованию, так как имеются широкие возможности для измене­ния числа оборотов упрочнителя, величины натяга, диаметра и количе­ства шариков, а также частоты вращения детали, продольной подачи и количества проходов. Свободно вращающиеся шарики прижимаются к обрабатываемой поверхности детали с силой Р — 1,5…4,0 кН.

Припуск на обкатку составляет 0,01…0,02 мм. В результате тако­го процесса упрочнения детали (рис. 2.20) шероховатость ее по­верхности уменьшается с Ra = 2,5 мкм до Ra — 0,32 мкм, твердость повышается на 15…25 %.

Рис. 2.20. Схема процесса и установки для центробежно-шарикового наклёпа тел вращения на базе круглошлифовального станка: 1 — обкатываемая деталь; 2 — сепаратор; 3 — диск; 4 — шарики; 5 — бабка при­способления; 6 — бабка станка; 7 — хомут; 8 — электродвигатель; 9 — натяг

Перед обкаткой поверхность детали необходимо обезжирить, а так­же удалить следы коррозии, иначе на поверхности будут заметны тем­ные пятна. В качестве смазывающе-охлаждающей жидкости при про­ведении процесса обкатки шариком применяется индустриальное мас­ло 20 или его смесь с 2…3 %-й олеиновой кислотой.

Примерные режимы обкатки стальных деталей шариковыми об­катниками (рис. 2.19) приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3 Режимы обкатки стальных деталей шариковыми обкатниками Характеристика материала Давление, МПа Окружная скорость детали, м/с Осевая по­дача, мм/об детали Диаметр шарика, мм Число прохо­ дов Стой­кость шарика, ч Сталь средней твердости 1800…2000 1,0.. .2,0 ОД…0,2 10 1 10…12 Закаленная сталь HRC 60…62 2500…2700 1,0…2,0 0,06…ОД 5..ДО 1 2,0

В табл. 2.4 приведены основные режимы обкатки поверхностей деталей центробежно-шариковым упрочнителем (рис. 2.20). Обыч­но для центробежных упрочнителей применяют стандартные шари­ки от шарикоподшипников диаметром 5… 16 мм. Число их зависит от диаметра упрочнителя. В зависимости от диаметра шариков в уп — рочнителе диаметром 250 мм устанавливают 20…60 шариков. До­пускаемое радиальное биение шариков относительно оси враще­ния — не более 0,03…0,04 мм. Для получения равномерного наклё­па биение обрабатываемой поверхности детали не должно превышать 0,03 мм, конусность, эллипсносгь, бочкообразносгь — не более 0,05 мм.

Таблгща 2.4 Режимы обработки центробежно-шариковыми упрочнителями Материал Окружная скорость приспособле­ния, м/с Подача, мм/об де­тали Окружная скорость детали, м/мин Натяг, мм Число проходов Повышение поверхност­ной твердо­сти, % Сталь 15,..40 0,04…0,16 25…90 ОД…0,25 2…3 17… 55 Бронза, латунь 8…15 0,02…0,2 20…60 0,05…ОД 1…2 25…45 Чугун 15…20 0,08…ОД 30…50 ОД…0,2 2 30…60 Дюра­ люминии 9.. .13 0,02…0,15 6…30 0,05…0Д5 1…2 25…35

Упрочнение поверхностей деталей дробеструйной

обработкой

Дробеструйный метод обработки — универсальный технологи­ческий метод упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием (ГОСТ 18296-72). Этим методом можно обраба­тывать сложные поверхности, например, рессоры, валы, пружины, зубчатые колеса, шаровые опоры и другие детали типа тел враще­ния. Его широко применяют и для упрочнения режущего инстру­мента из быстрорежущих сталей и твердых сплавов, сварных швов.

Сущность процесса обработки дробью состоит в том, что поверх­ность окончательно изготовленной детали подвергается холодной пластической деформации посредством ударного воздействия потока чугунной или стальной дроби. Методы обработки подразделяют на две группы — обработка сухой дробью и обработка дробью с ис­пользованием смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ).

При дробеструйном (ДУ), пневмодинамическом (ПДУ) и дробе — мётном (ДМУ) упрочнении детали обрабатывают сухой дробью. Существуют следующие разновидности гидродробеударной обра­ботки, обеспечивающей упрочнение дробью с СОЖ: гид­родробеструйное (ГДУ), гидродробеструйная эжекторная (ГДЭУ), гидродробеметная (ГДМУ), упрочнение микрошариками (УМШ).

При сухой дробеударной обработке, когда дробь следует одна за другой с большой частотой (частота ударов на поверхности диамет­ром 60 мм составляет примерно 103.,.104 ударов/с), первоначальные удары очищают поверхность не только от окалины или окисной пленки, но и от инородных молекулярных частиц. Этот процесс про­текает в условиях сухого трения.

Гидродробеструйное упрочнение протекает в условиях гидроди­намического трения, так как в зоне удара всегда имеется достаточ­ная прослойка смазочного материала и поверхность дробинок по­крыта СОЖ. Благодаря применению СОЖ этот метод, по сравне­нию с обработкой сухой дробью, обеспечивает более высокую эффективность и стабильность упрочнения. Его применяют для по­верхностного упрочнения деталей из различных материалов: сталей, титановых и алюминиевых сплавов.

Дробеструйная обработка выполняется на специальных установ­ках механического или пневматического действия. В первом случае
дробь движется под воздействием центробежной силы, развиваю­щейся в быстро вращающемся массивном роторе, во втором — под действием сжатого воздуха.

Наиболее распространены дробемёты механического типа. Они дают высокую производительность при малом расходе энергии, по­зволяют регулировать интенсивность процесса и поддерживать erb стабильность.

Схема универсального дробемёта ДУ-1 представлена на рис. 2.21. Дробь засыпается в бункер 1 и элеватором 2 поднимается в загру­зочный бункер 4. При заполнении загрузочного бункера избыток дроби поступает в бункер 5, который рассчитан на размещение всей дроби, находящейся в установке. Через питатель 5 дробь по верти­кальному трубопроводу поступает к центру быстро вращающегося ротора 6 и отбрасывается на обрабатываемую поверхность 7. После обработки поверхности детали дробь скатывается к приемной час­ти элеватора и вновь поступает в загрузочный бункер. Мелкие ос­колки чугунной дроби и пыль удаляются специальным вытяжным вентилятором, укрепленным на боковой стороне установки, и сепа­ратором. Для вращения и подачи детали во время обработки уста­новка снабжена специальными приспособлениями.

В механических дробемётах диаметр ротора обычно находится в пределах 200…500 мм при ширине 45… 125 мм. Частота вращения

таких роторов может изме­няться от 2000 до 3500 мин-1; дробь разгоняется до скорос­ти 50…90 м/с. Применяется стальная или чугунная дробь диаметром 0,2…2,5 мм. Для упрочнения микрошариками вместо дроби применяют ша­рики от подшипников диа­метром 1…3 мм.

При выборе режимов об­работки необходимо учиты­вать ряд технических факто­ров, от которых зависят шеро­ховатость поверхности, глубина упрочнения и оста­
точные напряжения: скорость дроби при встрече с обрабатывав — мой поверхностью; размер, качество и расход дроби; продолжи­тельность обработки; направление потока дроби (угол атаки); об­рабатываемый материал; плотность, с которой дробь покрывает поверхность обрабатываемого участка; расстояние обраба­тываемой поверхности от места вылета дроби.

Выбор размера и материала дроби зависит от размеров обрабатываемой детали и получаемой шероховатости. Чем больше сечение детали, тем крупнее применяется дробь. Обычно использу­ется мелкая дробь, которая лучше проникает во всевозможные пазы. В этом случае получается менее шероховатая поверхность. Наибо­лее эффективные результаты получаются при обработке стальной дробью, расход которой в 30…60 раз меньше, чем чугунной. Кроме того, возможная максимальная скорость стальной дроби в 1,5…2 раза выше, по сравнению со скоростью чугунной дроби. При обработке цветных сплавов рекомендуется применять алюминиевую или стек­лянную дробь. Это позволяет избежать появление электролитичес­кой коррозии от внедрения частиц чугунной или стальной дроби.

Увеличение скорости движения дроби заметно влияет на повы­шение предела усталости при непродолжительной обработке или глубоких конструктивных концентраторах напряжений, слабо воз­действует при увеличении времени обработки или отсутствии глу­боких концентраторов. Увеличение скорости движения дроби бо­лее 60 м/с для повышения производительности обычно ограничива­ется появлением большого количества ее осколков.

На степень упрочнения большое влияние оказывает угол атаки. Наибольшее упрочнение получается при угле атаки 70…90°. Рассто­яние обрабатываемой поверхности от места вылета дроби имеет меньшее значение. Наиболее выгодным следует считать расстояние

250.. .300 мм. С уменьшением этого расстояния возрастает интенсив­ность упрочнения, но одновременно уменьшается диаметр факела дроби, а следовательно, и площадь обрабатываемой поверхности.

При упрочнении дробью существует оптимальное время обработ­ки, отклонение от которого в сторону сокращения более опасно, чем в сторону увеличения. Вращающиеся детали требуют в 4…5 раз большего времени, чем неподвижные.

Зависимость эффективности дробеударной обработки от боль­шого числа технологических факторов усложняет выбор рациональ — ного способа и режима такого упрочнения. Для комплексной харак­теристики и сопоставления технологий дробеударной обработки принят критерий, представляющий собой величину кинетической энергии, сообщаемой дробью единице поверхности в единицу вре­мени, т. е. удельной кинетической энергии:

УД 2S

где т — расход дроби в минуту;

V — скорость дроби;

S — площадь поверхности, упрочняемой потоком дроби (при эффектив­ных углах падения дроби на поверхность а = 45…90°).

Количество энергии, которое сообщает дробь единице поверх­ности за время упрочнения Т, составляет Е = ЕудТ. Величина Еуд при данных скорости и удельном расходе дроби позволяет сопос­тавлять дробеударные способы упрочнения, а величина ЕудТ— ре­жим упрочнения.

Время обдувки, определяя разное количество энергии, сообщае­мое дробью единице обрабатываемой поверхности, влияет на свой­ства и глубину упрочнения. Например, у цементированной стали 12Х2Н4А микротвердость и практически предельная глубина упроч­нения получаются при времени наклепа дробью элемента поверхно­сти Тш = 4 мин, при этом Е = 80 кДж/м2.

При разных способах обработки, вследствие неодинаковой ве­личины удельной кинетической энергии, рациональная продолжи­тельность наклепа различна. При пневмодробеструйном упрочне­нии наиболее высокий предел контактной выносливости о^ и дол­говечности N (число циклов нагружения до разрушения) достигаются при Е = 40 кДж/м2 за 2 мин, при гидродробеструйном упрочнении (ГДУ) за 4 мин, при упрочнении микрошариками (УШИ) за 0,5 мин.

Основные параметры различных методов дробенаклёпа и характеристики их силового воздействия приведены в табл. 2.5. Бо­лее высокие значения удельной кинетической энергии дроби для УМШ, чем для ДМУ, несмотря на малую массу микрошариков, обус­ловлены высокой удельной плотностью создаваемого потока, ма­лым его рассеянием.

Наибольшее отличие в изменении свойств проявляется при ДМУ, по сравнению с ПДУ, ГДУ и УШ. Высокая интенсивность пласти­ческой деформации обеспечивает при ДМУ более высокую степень и глубину упрочнения.

В результате упрочнения дробью твердость поверхности детали повышается на 20…25 %. Толщина поверхностно-упрочненного слоя может достичь 0,5..Л,5 мм; создаются сжимающие напряжения до

500.. .800 МПа. Продолжительность процесса для поверхностей сред­них размеров 10…15 мин.

Дробеструйная обработка, как и другие способы упрочнения на­клепом, находит широкое применение для повышения надежности сварных узлов различных машин, особенно работающих в условиях вибрации. Известно, что отпуск после сварки низкоуглеродистой стали понижает предел выносливости сварных соединений с поперечным швом, а последующий дробеструйный наклеп шва и околошовной зоны значительно повышает надежность сварных соединений.

Упрочнение дробеструйным наклепом позволяет увеличить срок службы сварных швов на 310 %, коленчатых валов двигателей — на 900 %, спиральных пружин — на 137 %, рессор — на 500 %, крупно­модульных зубчатых колес — на 1400 %. Эффективность наклепа таких деталей, как листовые рессоры, повышается при обработке их в напряженном состоянии, совпадающем с тем, которое имеет место

6-7736

в эксплуатации. Применение дробеструйного наклепа позволяет повысить предел выносливости при симметричном изгибе у деталей без концентраторов напряжений на 20…30 %, а у деталей с концен­траторами на 40…60 %.

Обдувку дробью применяют для восстановления прочности по­верхностного слоя деталей, ранее упрочненных этим же методом. Повторная поверхностная деформация способствует увеличению абсолютного значения и глубины распространения остаточных на­пряжений сжатия (по сравнению с первым упрочнением) и интенси­фикации деформационного старения. Следствием этого является повышение сопротивления усталостному разрушению высоко­прочной стали.

Для снижения шероховатости поверхности и удаления с нее пере — наклепанных участков после обдувки дробью проводят электропо­лирование или виброшлифование. Подобная комбинированная фи­нишная обработка существенно повышает ресурс работы деталей.