Пластическим деформированием

Продолжение табл. 3.1

Продолжение табл. 3.1

Продолжение табл. 3.1

Продолжение табл. 3.1

Продолжение табл. 3.1

Выглаживание производят инструментом, рабочим элементом которого является твердосплавный или алмазный индентор, скользящий по обрабатываемой поверхности. Этим методом можно обрабатывать все виды поверхностей – от плоской до фасонной, так как при накатывании инструмент может быть упругим или жестким.

Виброобработка – это процесс накатывания, обкатывания, раскатывания шариком (шариками) или алмазное выглаживание при наличии дополнительного осциллирующего движения рабочего элемента параллельно обрабатываемой поверхности. Варьирование амплитуды и частоты осцилляций рабочего элемента наряду с изменением других режимов обработки позволяет создавать на поверхности различные регулярные микрорельефы или системы канавок. Систему канавок на обрабатываемой поверхности, как правило, создают при необходимости увеличения объема масла на поверхностях трения, склонных к схватыванию.

Динамическое упрочнение можно производить рабочими элементами в свободном состоянии или при их фиксированном положении. В качестве рабочих элементов при свободной обработке применяют дробь и шарики стальные или стеклянные, при фиксированном положении – шарики и ролики подшипников или специальные, в зависимости от обрабатываемой поверхности.

При свободной динамической обработке рабочие элементы направляются на обрабатываемую поверхность воздушной струей с помощью специальных устройств под действием центробежных сил или в вибробункерах. Фиксированное динамическое упрочнение осуществляют специальными инструментами центобежноударного действия. При этом рабочие элементы находятся на периферии вращающегося инструмента и удерживаются специальными сепараторами (рис. 3.2). Выбор рабочих элементов определенной массы, их взаимного расположения в сепараторе, диаметра инструмента и скорости его вращения позволяет обеспечить необходимое количество ударов заданной силы на 1 мм² . Это позволяет в широких пределах надежно управлять качеством обрабатываемой поверхности. Данный метод применяют для обработки ППД всех поверхностей, в том числе и резьбы.

Рис.3.2. Инструмент центробежно-ударного действия для динамического упрочнения:

1 - рабочий шарик; 2- корпус; 3 – сепаратор

Электромеханическая обработка – это процесс накатывания, обкатывания, раскатывания, выглаживания с наложением электрического тока большой силы и низкого напряжения. Повышенное сопротивление в месте контакта рабочего элемента обрабатывающего инструмента и детали создает локальный нагрев и облегчает деформирование металла поверхностного слоя и его структурные изменения. При этом требуются значительно меньшие рабочие силы. Обработку производят на универсальных специально оборудованных станках.

Комбинированная обработка совмещает резание и ППД. Это совмещение осуществляется с помощью специального комбинированного инструмента, объединяющего режущие и деформирующие рабочие элементы (рис. 3.3). Благодаря такому совмещению она переходит в разряд размерных обработок, так как позволяет повысить исходную точность.

Рис. 3.3. Комбинированный инструмент для обработки отверстия:

1 – режущий элемент (резец); 2 – деформирующий элемент (ролик)

Калибрование применяют для обработки наружных и внут­ренних поверхностей вращения заготовок; оно позволяет повысить исходную точность за счет объемных пластических деформаций материала. При небольших натягах пластические деформации мо­гут носить локальный характер, т.е. распространяться только в по­верхностном слое. Рабочим инструментом является шарик, деформирующая прошивка или пуансон, калибрующие фильтры или вогнутые эллипсообразные ролики. Процесс осуществляется на оборудовании для обработки давлением.

Дорнование применяют для обработки различных отверстий, в том числе и шлицевых. Процесс дорнования заключается в том, что инструмент (дорн) определенной формы протягивается через обрабатываемое отверстие, имеющее меньшие размеры по сравнению с размерами дорна. При этом вследствие пластического деформирования диаметр отверстия увеличивается, поверхностный слой металла в отверстии упрочняется, а неровности поверхности сглаживаются, причем в зависимости от натяга пластические деформации могут носить локальный поверхностный характер или распространяться на весь объем заготовки, изменяя ее диамет­ральные и линейные размеры. Дорны могут быть комбинирован­ными – с режущими и деформирующими рабочими элементами. Для уменьшения трения при дорновании применяют различные смазочные материалы и СОЖ. Процесс осуществляется на про­тяжных станках.

Дорнование с запрессовкой осуществляется при натягах, обеспечивающих распространение пластического деформирования на весь объем запрессовываемой и обрабатываемой втулки. Это приводит к увеличению ее наружного диаметра, ликвидации зазора и созданию натяга в соединении для обеспечения требуемой прочности.

Накатывание зубьев модулем до 2 мм может осуществляться вхолодном состоянии. Все основные схемы накатывания зубьев основаны на принципе обкатывания. Обработка может осуществ­ляться одним или несколькими зубчатыми роликами при радиальной или осевой подачах. При этом может происходить накатыва­ние с одновременным калиброванием. Кроме того, накатывать можно и зубчатыми рейками. Для этого используют специальные гидравлические зубонакатные станки, работающие в автоматическом режиме.

Накатывание зубьев роликами, как правило, осуществляют на универсальных токарных, револьверных, горизонтально-фрезер­ных, резьбонакатных и других станках с использованием специ­альных приспособлений. Схема накатывания зубьев двумя роли­ками с радиальной подачей приведена на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Накатывание зубьев двумя прокатными роликами

с радиальной подачей:

1 – заготовка; 2 – накатные ролики; 3 – калибрующие ролики;

4 – ведомая шестерня; 5 – ведущая шестерня

Накатывание шлицев можно производить как методом об­катки (мелкие шлицы), так и методом копирования (средние и крупные шлицы) с продольным перемещением роликов относи­тельно оси обрабатываемой заготовки (рис. 3.5).

Такое продольное накатывание шлицев может осуществляться путем накатыва­ния двух (или трех) противоположных впадин шлица или одновременного действия всех накатных роликов, образующих впадины всех шлицев (шлицы средних размеров). Накатывание может производиться за один или несколько рабочих ходов. Методом обкатки шлицы формообразуют плоскими и круглыми зубчатыми рейками, круглыми профильными роликами, червяками и т.д.

Шлицы накатывают на универсальных станках, прессах и специальных шлиценакатных станках.

Рис. 3.5. Продольное накатывание шлицев:

а – без деления; б – с маятниковым делением; в – с круговым делением;

г – охватывающими роликами

Накатывание и раскатывание резьб осуществляют методом пластического выдавливания материала заготовки, имеющей оп­ределенный диаметр, с помощью специального резьбового инст­румента. Наружные резьбы накатывают резьбовыми рейками или роликами. Накатывание рейками (рис. 3.6) производят на специальных резьбонакатных станках, работающих в автоматическом режиме. Резьбу роликами (одним или несколькими) накатывают как на универсальных токарных станках, так и на специальных резьбонакатных станках. Внутренние резьбы раскатывают, как правило, бесстружечными метчиками-раскатниками на обычных универсальных станках (токарных, токарно-револьверных, сверлильных, станках с ЧПУ, болторезных и резьбонарезных автоматах и др.).

Рис. 3.6. Накатывание резьб рейками:

1 – заготовка; 2 – резьбонакатные рейки

Крупные резьбы в отверстиях деталей из малопластичных материалов можно обрабатывать комбинированными метчиками-раскатниками.

Формирование гладкорезьбовых соединений осуществляют путем вворачивания резьбовой шпильки в гладкое отверстие определенного диаметра. Пластически выдавливаемый материал заполняет впадины резьбы шпильки, формируя достаточно прочное резьбовое соединение. Для улучшения пластического течения материала и уменьшения момента ввинчивания, как правило, применяют шпильки специальной конструкции. Процесс осуществляют на универсальных токарных и сверлильных станках, станках с ЧПУ, а также с использованием шпильковертов (при малых диаметрах).

В последние годы для повышения долговечности деталей машин все шире применяют ионную и лазерную обработку.

Ионная имплантация

Ионная имплантация заключается во внедрении в поверхность ионизированных атомов легирующего вещества, ускоренных электрическим полем до нужной энергии. При этом наблюдаются нарушения исходной структуры поверхности - от образования в ней радиационных дефектов до распыления, а также взаимодействия внедряемой примеси с атомами исходной кристаллической решетки, в результате чего могут образоваться твердые растворы, химические соединения и выделены новые фазы.

Важнейшими параметрами ионной имплантации с прикладной точки зрения являются распределение легирующей примеси и радиационных дефектов по глубине, максимально достижимая доза легирования, ограниченная распылением поверхности, состав и структура модифицированного поверхностного слоя.

При легировании ионами средних масс с энергией в сотни килоэлектронвольт максимум концентрации легирующей примеси находится на глубине в десятые доли микрометра. Высокоэнергетическая имплантация с энергией ионов в несколько мегаэлектронвольт обеспечивает легирование на глубину, исчисляемую микрометрами. Но при этом токи пучков не достигают высокой интенсивности (до 10 мА/см²), как при низкоэнергетической имплантации, что увеличивает время обработки.

Распыление поверхности изменяет гауссовый профиль распределения примеси по глубине на плитообразный с максимумом концентрации на поверхности. Распыление наиболее велико при имплантации низкоэнергетических ионов (около 10 кэВ; 1 эВ = 1,6 … 10^-19 ВДж) и при косом падении пучка ионов на поверхность (под углом 70 – 80 ^о).

Ионную имплантацию можно использовать как способ изменения механических и химических свойств поверхности детали в нужном направлении. К ее преимуществам относится то, что имплантация приводит к образованию таких сплавов, которые невозможно получить в обычных условиях из-за ограниченной растворимости или диффузии компонентов. Состав получаемых сплавов управляем, причем объемные свойства материала не затрагиваются из-за малой глубины проникновения пучка ионов. Имплантация может быть финишной операцией технологической обработки, поскольку осуществляется в широком диапазоне температур (вплоть до отрицательных) и без заметного изменения размеров детали. Чтобы время обработки было не слишком большим (до 30 с/см ²), необходимо обеспечивать силу тока пучков ионов примерно 1 мА. Так как не существует явно выраженной границы раздела между получаемым поверхностным сплавом и основным материалом, то явление адгезии не играет большой роли.

Имплантацией можно обеспечить нужный профиль залегания примеси по глубине, причем процесс является высокопроизводительным. Этот метод вакуумночист и экологически безвреден. Основными недостатками ионной имплантации являются высокая стоимость оборудования и отсутствие мощных источников среднеэнергетических ионов. Малая глубина проникновения ионов сужает область применения имплантации, однако во многих случаях действие имплантированных ионов распространяется гораздо глубже, чем их первоначальное проникновение.

Повышение коррозионной стойкости имплантированных материалов

При имплантации с целью повышения коррозионной стойкости следует уделять внимание снижению загрязнения поверхности углеродом, который может внедряться в подповерхностный слой сплава в результате вторичной имплантации после столкновения с ионным пучком. Загрязнение углеродом способствует образова­нию коррозионно-ингибирующего слоя на поверхности металла, что подавляет пассивацию и инициирует локальную коррозию с образованием инертных карбидных включений, которые проявля­ют тенденцию снижать стойкость поверхностных сплавов к питтингу.

Хотя при высоких дозах ионной имплантации возникает большое количество дефектов, предварительно установлено, что дефекты не оказывают существенного влияния на электрохимиче­ское поведение поверхностных сплавов, образованных при им­плантации. Значительно большую роль играют различия между другими характеристиками сплавов. Так как многофазные сплавы имеют тенденцию к проявлению очаговой гальванической корро­зии между фазами с различной химической реакционной способ­ностью, то желательным является получение однофазных сплавов с наибольшей химической однородностью. Использование им­плантации для получения однофазных твердых растворов, далеких от равновесного состава, определяет перспективность импланта­ции как метода поверхностного легирования. Аморфные поверх­ностные сплавы представляют собой особый случай, в котором отсутствие межзеренных границ и других дефектов может оказать значительное воздействие на общее сопротивление коррозии по­верхностного слоя.

При имплантации низкоэнергетических (20 - 25 кэВ) ионов хрома в железо с дозой (1,25 ... 2)10¹⁶ см ^-2 достигается общая пассивация, аналогичная характеристикам обычных двойных сплавов. Однако поведение поверхностных сплавов в отношении питтинга было сходным с их поведением в чистом железе. Среднеэнергетические (150 кэВ) ионы Сг⁺ также дают наиболее инертные поверх­ностные сплавы на чистом железе по сравнению с ионами In⁺, Аг⁺, N⁺, Ni⁺,Cu⁺.

Для увеличения износостойкости в коррозионной среде осо­бое значение приобретает возможность получать в поверхностном слое метастабильные соединения со специфическими свойствами и осуществлять экономное легирование дорогими элементами. Также является благоприятным создание аморфных поверхност­ных слоев металлов при ионном легировании. Так, при облучении ионами диспрозия происходит аморфизация монокристаллическо­го никеля; при облучении ионами Ва⁺ аморфный слой возникает на поверхности стали 40X13, а при легировании фосфором и бо­ром - на поверхности коррозионно-стойкой стали. Легирование поликристаллического железа ионами Ni⁺ с энергией 25 кэВ и до­зой 10¹⁶ см ^-2 значительно повышает стойкость материала к окисле­нию.

Имплантация ионов Ва⁺ в сплав Ti - 6 %Аl - 4 %V с энергией 40 кэВ несколько повысила его коррозионную стойкость. Это объ­ясняется возникновением преципитатов ВаТiO₃, образующих ко­герентную границу с ТiO и эффективно препятствующих диффу­зии кислорода.

Ионная имплантация N⁺ и В⁺, которую часто применяют для упрочнения поверхности, в целом снижает скорость коррозии в кислой и кислотно-хлоридной среде. Имплантирование тантала при энергии 20 кэВ с дозой (0,5 ... 2) 10¹⁷ см^-2 способно благопри­ятно изменить пассивацию железа преимущественно за счет вклю­чения в пассивирующую пленку.

Лазерная обработка

Лазерный луч – это мощный и концентрированный поток электромагнитного излучения, отличающийся от других энергетических методов воздействия на вещество особо упорядоченным состоянием. Промышленные лазерные системы делят на три основные группы: твердотельные; газовые, среди которых наиболее распространен CO₂-лазер; полупроводниковые. В настоящее время осваивают перестраиваемые лазеры на кристаллах, твердотельные лазеры на кристалле иттрий-литиевого флюорита, легированного эрбием, длина волны излучения которого 1,73 мкм.

Лазерный луч отличается высокой плотностью энергии. По­глощение металлами лазерного излучения приводит к мгновенно­му увеличению энергии свободных и связанных электронов. Воз­бужденные электроны сталкиваются с атомами решетки, время их релаксации равно 10^-12 с. Энергия лазерного излучения трансфор­мируется в движение атомов, и температура поверхностного слоя резко повышается. Этот тонкий поверхностный слой становится интенсивным источником теплоты.

Быстрый теплоотвод в глубь металла приводит к возникновению закалочных структур в поверхностном слое. Преимуществом лазерного термоупрочнения металлов является хорошая управляе­мость процессом. По сравнению с другими источниками теплоты геометрия лазерного луча легко изменяется оптическими приспо­соблениями, что позволяет достичь труднодоступных местах деталей, включая внутренние поверхности полых валов и отверстий.

После лазерной обработки упрочняется тонкий поверхностный слой. При этом нет необходимости тратить энергию на про­грев всей основы, предотвращается коробление обрабатываемой заготовки. Искажение поверхности при лазерной обработке мини­мально. Варьируя параметрами лазерного излучения, можно легко управлять тепловыми полями поверхностной зоны, уменьшая тем­пературные напряжения.

Режим лазерной обработки с оплавлением является средством внедрения сторонних элементов в материал заготовки и получения в ней наперед заданных свойств.

Лазерный луч используют для аморфизации поверхности, ла­зерной наплавки, отжига, шокового упрочнения. Применение ла­зерной обработки в комбинации с другими методами позволяет либо улучшить качество уже нанесенного покрытия либо получить новое комплексное покрытие (табл. 3.2).