Поверхностное пластическое деформирование (ППД) : Учебник

---

1. Сущность поверхностного пластического деформирования

 

1.1. Основные понятия и определения

 

Поверхностное пластическое деформирование (ППД) – обработка давлением, при которой деформируется только поверхностный слой металла (ГОСТ 18296-72).

При ППД происходит поверхностное упрочнение – повышение сопротивляемости материала или заготовки разрушению или остаточной деформации путем изменения свойств поверхностного слоя (ГОСТ 18295-72).

Поверхностным называют слой металла, который имеет отличающиеся от основной массы детали структуру, и/или фазовый, и/или химический состав, и/или механические свойства.

В процессе эксплуатации именно поверхностный слой детали подвергается наиболее сильному воздействию внешних факторов, поэтому процесс разрушения детали обычно начинается с поверхности. В связи с этим к поверхностному слою предъявляют более высокие требования, чем к основной массе детали.

Реальная поверхность детали несовершенна. Различают следующие геометрические несовершенства:

1. шероховатость – при

(S – шаг микронеровностей, R_Z – высота микронеровностей);

2. волнистость – при ;

3. макроскопические отклонения (конусообразность, бочкообразность, седлообразность и т.п.) – при>1000.

Дефекты поверхности – это отдельные неровности, совокупность неровностей или участки поверхности, размеры которых существенно отличаются от параметров шероховатости и волнистости (риски, царапины, вмятины, раковины, поры, сколы, трещины, заусенцы и т.п.).

По ГОСТ 18296-72 различают статическое и ударное ППД. Статическое ППД – осуществляется при статическом взаимодействии деформируемого материала с инструментом. При этом инструмент воздействует на обрабатываемую поверхность с определенной постоянной силой Р, происходит плавное перемещение зоны (или зон) контакта инструмента с заготовкой. Эта зона последовательно проходит всю поверхность, подлежащую обработке. При этом инерционные силы весьма малы и не оказывают заметного влияния на ППД.

К статическим способам ППД относятся:

· накатывание;

· раскатывание;

· выглаживание;

· дорнование.

Ударное ППД – осуществляется при ударном взаимодействии заготовки с инструментом. При этом инструмент, рабочие тела или среда многократно воздействуют на всю обрабатываемую поверхность или на ее часть, а сила воздействия Р (или энергия удара Э_у) в каждом цикле изменяется от минимума до максимума.

К ударным способам ППД относятся:

· обработка дробью;

· чеканка;

· ударное накатывание;

· центробежная обработка;

· ударное раскатывание и др.

Как явствует из определения, при ППД пластически деформируется только поверхностный слой металла. Этим ППД принципиально отличается от объемной обработки пластическим деформированием – ковки, штамповки и т.п.

Обработка ППД имеет ряд преимуществ по сравнению с обработкой со снятием стружки (точением, шлифованием и др.):

· сохраняется целостность волокон металла, и образуется мелкозернистая структура-текстура в поверхностном слое;

· отсутствует шаржирование обрабатываемой поверхности;

· возможна обработка как пластичных металлов (отожженных сталей, цветных сплавов), так и закаленных сталей;

· высота микронеровностей уменьшается за один рабочий ход в несколько раз;

· в поверхностном слое создаются благоприятные остаточные напряжения сжатия и т.д.

В результате при использовании ППД резко повышаются такие показатели качества, как сопротивление усталости, износостойкость, контактная выносливость и др. При этом, как правило, заметно повышается производительность труда финишных операций, и достигается значительный экономический эффект.

 

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 65 ) бльшую, 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 Rz=5–12 мкм до
Ra=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	, 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 бльшими величинами радиуса закругления вершин неровностей r, и отношения r/RZ max (RZ 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

бльшими значениями r, r/RZ 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.

1.2.2. Обработка ППД малопластичных материалов

Известно, что помимо обработки ППД пластичных материалов в последнее время широко и успешно применяется ППД весьма малопластичных материалов: сталей, закаленных до HRC 60–62, цементированных с последующей закалкой сталей, сталей после азотирования и цианирования, чугунов, титановых и твердых сплавов и др.

Естественно, возникает вопрос, почему возможен процесс ППД при обработке таких на первый взгляд непластичных или малопластичных материалов, и как он протекает.

Прежде всего необходимо отметить, что закалку и химико-термическую обработку сталей ведут при весьма высоких температурах (8000–10000 и более). При этом происходит частичное выгорание углерода в поверхностном слое детали, и последний становится более пластичным. Поэтому сразу после закалки или химико-термической обработки деталей возможно осуществление ППД черных поверхностей.

Далее напомним, что ППД не является формообразующей обработкой. Поэтому после закалки или химико-термической обработки для получения требуемой формы и размеров ответственных поверхностей обычно сначала производится их шлифование. При этом в поверхностных слоях развиваются температуры до 10000–13000С и даже выше. И хотя существование столь высоких температур и их воздействие на структуру поверхностного слоя кратковременно, все же показатели его пластичности повышаются, и становится возможной обработка ППД.

В связи со сказанным при ППД закаленных сталей исходные микронеровности пластически деформируются, и образуется новый микрорельеф с меньшей шероховатостью. Естественно, что с увеличением твердости стали и снижением ее пластичности минимально достижимая высота неровностей увеличивается.

Очевидно, что форма микронеровностей, как и в случае ППД пластичных материалов, характеризуется бльшими значениями r, r/RZ max.

Известно, что после закалки сталей в их структуре помимо образующегося в процессе закалки мартенсита сохраняется некоторое количество остаточного аустенита, который снижает суммарную твердость заготовки. Чем больше в структуре стали легирующих элементов, тем больше в ней остаточного аустенита, который при комнатной температуре находится в метастабильном (неустойчивом) состоянии.

При ППД в зоне контакта развиваются высокие давления, под действием которых остаточный аустенит частично распадается и превращается в мартенсит. В результате после ППД закаленных сталей в поверхностном слое твердость повышается. Причем прирост твердости может достигать от 1 до 10 единиц HRC.

Так как мартенсит имеет больший удельный объем по сравнению с остаточным аустенитом, поверхностный пластически деформированный слой стремится увеличить свои размеры. Этому препятствуют нижележащие слои металла. Поэтому в поверхностных слоях формируются остаточные напряжения сжатия, а в сердцевине напряжения растяжения.

Анализируя сказанное, приходим к выводу, что в результате обработки ППД малопластичных материалов в поверхностном слое происходят те же благоприятные изменения, что и при обработке пластичных материалов:

1. уменьшается исходная шероховатость;

2. формируется новый микрорельеф;

3. повышается твердость поверхностного слоя;

4. в поверхностном слое создаются остаточные напряжения сжатия.

Правда, причины повышения твердости в поверхностном слое и формирования в нем остаточных напряжений сжатия иные, чем в случае обработки пластичных материалов, но результаты аналогичны.

Поэтому в настоящее время широко применяется обработка ППД после объемной закалки, закалки ТВЧ, азотирования, цементации таких деталей, как шестерни, валы, пружины, буровые долота, кольца шарикоподшипников и т.п.

2. Влияние ППД на эксплуатационные свойства деталей

2.1. Сопротивление усталости

 

Усталость – процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к изменению свойств материала, образованию трещин, их развитию и разрушению материала (ГОСТ 23207-78).

Основной причиной усталости является наличие на поверхности детали таких дефектов, как риски, царапины, трещины и т.п., которые, являясь концентраторами напряжений, периодически находясь в зоне растяжения, постепенно углубляются. В результате развивается усталостная трещина, и деталь, в конце концов, разрушается. Свойство материала противостоять усталости называется сопротивлением усталости.

На рис. 2.1. приведены кривые усталости деталей до обработки ППД (кривая 1) и после обработки ППД (кривая 2). Видим, что предел выносливости деталей, обработанных ППД, существенно выше, чем у необработанных ППД:

σ”-1 > σ’-1

(Предел выносливости – максимальное по абсолютному значению напряжение цикла, при котором деталь проходит заданную базу испытаний без разрушения).

Обратим внимание на то, что левая часть усталостной кривой у образцов, обработанных ППД, наклонена к оси абсцисс под меньшим углом, чем у неупрочнённых образцов. Поэтому циклическая долговечность (число циклов нагружения N до усталостного разрушения) деталей, обработанных ППД, больше, чем у необработанных ППД в тысячи (и более) раз:

N2 >>N1

Рис. 2.1. Кривые усталости деталей:

1 – до обработки ППД;

2 – после обработки ППД.

Величина прироста предела выносливости вследствие обработки ППД зависит от конструкции деталей: чем резче концентраторы напряжений в детали, тем более эффективна обработка ППД. У деталей без концентраторов напряжений предел выносливости после ППД возрастает на 20–50%. У деталей с концентраторами напряжений – на 100–130% и более.

Упрочнение мест концентрации напряжений (галтелей, резьб, шлиц, впадин зубчатых колёс и т.п.) с помощью ППД зачастую полностью нейтрализует их отрицательное влияние на предел выносливости.

Весьма эффективна обработка ППД крупных деталей. В этом случае в значительной мере уменьшается вредное влияние масштабного фактора на сопротивление усталости.

Исследованиями показано, что при ППД деталей без концентраторов напряжений прирост предела выносливости обусловлен на 30% остаточными напряжениями сжатия и на 70% – наклёпом поверхностного слоя. Для деталей с концентраторами напряжений картина обратна: 30% прироста предела выносливости обусловлено наклёпом и 70% – остаточными напряжениями сжатия.

Весьма важным является то обстоятельство, что эффект повышения предела выносливости после ППД весьма устойчив:

1. В ЦНИИТМАШе накатанные образцы испытывались на усталость ежегодно в течение 10 лет. Выяснилось, что в результате десятилетнего хранения их предел выносливости не изменился.

2. Уровень допустимого повышения рабочих температур зависит от природы стали, обработанной ППД. При нагреве деталей после обработки ППД до 200–250ºС предел выносливости даже возрастает на 5–10%. С дальнейшим повышением температуры начинается снижение предела выносливости. Нагрев до 400–550ºС в значительной мере снижает эффект ППД. Жаропрочные стали сохраняют эффект повышения предела выносливости от ППД при более высоких температурах.

3. Рабочие циклические напряжения влияют на прирост предела выносливости следующим образом:

Если величина рабочих напряжений меньше чем предел выносливости упрочнённых ППД деталей (меньше σна рис. 2.1), то их влияние не заметно.

Чем больше величина рабочих напряжений σпо сравнению с пределом выносливости σ” упрочненных ППД деталей
(рис. 2.1), тем в большей мере снимается эффект повышения предела выносливости и долговечности.

При больших значениях рабочих напряжений (от σ и выше на рис. 2.1), когда имеется значительная пластическая деформация поверхностных слоёв образцов, эффект повышения предела выносливости от ППД снимается полностью.

4. При частичном удалении механической обработкой слоя, упрочнённого ППД, эффект повышения предела выносливости снижается по мере увеличения глубины снятого слоя. Поэтому, если при ремонте (или по другим причинам) производилась обточка поверхностей, упрочнённых ППД, то их следует вновь обработать ППД.

2.2. Сопротивление коррозионной усталости

Если деталь работает при циклических нагрузках в коррозионной среде, то ее усталостное разрушение происходит значительно быстрее, чем на воздухе. На рис. 2.2 приведены усталостные кривые для шлифованных образцов, испытанных на воздухе (кривая 1) и в воде (кривая 2). Обратим внимание, что у кривой 2 нет горизонтального участка. Это означает, что истинный предел выносливости деталей при коррозионной усталости равен нулю.

Рис. 2.2. Кривые коррозионной усталости:

1, 2 – шлифованных образцов, испытанных

на воздухе (1) и в воде (2);

3, 4 – после обработки ППД – в воде.

Наиболее распространенные виды коррозии: атмосферная (особенно в приморских районах), коррозия в пресной и морской воде, электролитах и т.д.

В отличие от усталостного разрушения на воздухе трещина коррозионной усталости развивается не из одного, а из многих очагов одновременно. Длительность развития усталостной трещины при работе образца на воздухе составляет 10–30% от общего времени его работы, а при работе в коррозионной среде – до 90%.

Обработка ППД поверхностей деталей, работающих в коррозионных средах, приводит к значительному снижению влияния активных сред на предел выносливости (кривая 3 на рис. 2.2), а иногда даже к полному его устранению (кривая 4).

Главной причиной повышения предела выносливости деталей, работающих в коррозионных средах, считают наличие в поверхностных слоях остаточных напряжений сжатия после ППД. Кроме того, феррит, являющийся мягкой структурной составляющей, завальцовывает («залечивает») дефекты поверхности.

2.3. Износостойкость

 

При взаимном перемещении деталей их соприкасающиеся поверхности изнашиваются.

Износ представляет собой сложный процесс. Фактически под этим названием объединено несколько разнородных процессов, механизм протекания которых различен. Во время износа протекают процессы упругого и пластического деформирования, упрочнения поверхностных слоев металла, адсорбции, диффузии, образования химических соединений, процессы смятия и резания и т.д.

Наиболее распространено механическое изнашивание. Его разновидности: абразивное, гидроабразивное, эрозионное, усталостное и кавитационное изнашивание.

Для конкретных условий изнашивания существует оптимальная величина параметров шероховатости R_aи R_z, при которой износостойкость наибольшая. На рис. 2.3 показаны типовые зависимости износа Q от параметра R_а шероховатости поверхности.

Рис. 2.3. Типовые зависимости износа Q от параметра R_a.

Ввиду большого разнообразия видов износа деталей машин и условий их работы дать однозначный ответ о влиянии ППД на износостойкость не представляется возможным. Тем не менее экспериментально доказано, что в подавляющем большинстве случаев с помощью ППД удается существенно повысить износостойкость трущихся поверхностей различных деталей при правильном подборе способа и режима ППД. Так, накатывание роликами деталей из среднеуглеродистой стали, раскатывание деталей из стали 45, алмазное выглаживание обеспечивают (при одинаковом параметре R_z)повышениеизносостойкости по сравнению сошлифованием в 1,5–2,5 раза, а по сравнению с полированием в 1,3–1,6 раза. Аналогичные результаты достигаются и при использовании других способов ППД, кроме некоторых ударных, когда параметр R_zувеличивается (обработка дробью, чеканка).В частности, с целью повышения износостойкости с помощью ППД обрабатывают отверстия шатунов, шейки коленчатых валов, отверстия гильз блока цилиндров, рабочие поверхности проходных калибров и т.д.

Основные причины повышения износостойкости поверхностей, обработанных ППД:

1. Уменьшение в результате ППД параметра шероховатости R_z в 5–10 раз и создание благоприятной обтекаемой формы микронеровностей.

2. Повышение твердости поверхности.

3. Создание в поверхностных слоях остаточных напряжений сжатия.

4. Отсутствие шаржирования поверхности при ППД.

5. Сохранение целостности волокон металла.

Установлено также следующее:

1. Износ поверхностей, сопряженных с поверхностями, обработанными ППД, существенно уменьшается. В частности, это относится к неметаллическим деталям. Например, износостойкость резиновых колец и манжет, работающих в паре с накатанными поверхностями, возрастает в несколько раз.

2. Ускоряется процесс приработки поверхностей, обработанных ППД.

______________________

Как показали многочисленные исследования, обработка ППД также благоприятно влияет на некоторые другие эксплуатационные свойства деталей:

1. Увеличивается плавность хода – точность перемещения одной детали относительно другой.

2. Увеличивается сопротивление схватыванию сопряженных поверхностей.

3. Повышается контактная жесткость.

4. Увеличивается сопротивление контактной усталости.

5. Улучшается герметичность уплотнительных пар при ППД рабочих поверхностей металлических деталей.

6. Повышается прочность неподвижных соединений (увеличивается усилие распрессовки).

7. Улучшаются вакуумные свойства поверхностей, обработанных ППД, и т.д.

3.Накатывание наружных поверхностей вращения

3.1.Схема процесса, инструмент, оборудование

Накатывание – ППД при качении инструмента по поверхности деформируемого материала (ГОСТ 18296-72).

На рис. 3.1 приведена схема накатывания цилиндрической заготовки 1 на токарном станке. В качестве рабочих тел при накатывании используют ролик 2 или шарик 3. Ролики изготовляют из сталей: легированных – ШХ15, ХВГ, 9Х, 5ХНМ, углеродистых инструментальных – У10А, У12А, быстрорежущих – Р6М5, Р9, твёрдого сплава ВК8. Твердость рабочей поверхности роликов из сталей – HRC 62…65, параметр шероховатости R_a ≤ 0,1 мкм.

Применяют “жёсткую” или “упругую” схемы накатывания. При “упругой“ схеме “a” (рис. 3.1) рабочее тело 3 прижимается к обрабатываемой поверхности с помощью какого-либо упругого элемента (винтовой пружины сжатия 4, блока тарельчатых пружин, пружинящей державки и т.д.), который создаёт необходимую силу накатывания Р.

Рис. 3.1. Схемы накатывания наружной цилиндрическойповерхности

При “жёсткой” схеме “б” (рис. 3.1) упругий элемент в накатном приспособлении (накатнике) отсутствует. Накатной ролик 2 монтируют на оси 5, которая опирается на подшипники 6, установленные в отверстиях державки 7. Последняя закрепляется в резцедержавке 8 станка. Сила накатывания Р создаётся за счет натяга i (рис. 3.1) – перебега периферии ролика 2 за образующую заготовки 1. Необходимую величину натяга обеспечивают при настройке станка.

Таким образом, при использовании обеих схем рабочее тело вдавливается в поверхность заготовки с силой Р. При этом в зоне контакта на поверхности образуется пластический отпечаток, который при соответствующей кинематике станка постепенно распространяется по всей поверхности заготовки.

На рис. 3.2 приведены основные формы роликов, применяемых при накатывании.

Рис. 3.2. Формы накатных роликов

а) – ролик

б) ролик с цилиндрическим пояском

в) ролик с закругленной деформирующей частью

Типовая конструкция универсального однороликового накатного приспособления приведена на рис. 3.3. В отверстиях штока 1 установлены подшипники 2, на которые опирается ось 3. На оси 3 смонтирован накатной ролик 4. Шток 1 вложен в отверстия корпуса 5 и крышки 6. Внутри корпуса 5 находится тарированная пружина 7, воздействующая на торец штока 1 через шайбу 8. Шпонка 9 не позволяет штоку 1 повернуться вокруг его оси. Гайка 10 служит для регулировки предварительного натяга пружины 7.

Рис. 3.3. Однороликовое накатное приспособление

На рис. 3.4 приведена конструкция одношарикового накатника. В нем шарик 1 опирается на подшипник 2 и удерживается от выпадения колпачком 3 . Остальное ясно из рисунка.

3 1 2

Рис. 3.4. Одношариковый накатник

Классификация накатных приспособлений:

1. По виду рабочих тел:

§шариковые;

§роликовые (с материальной осью вращения и без неё).

2. По количеству рабочих тел:

§ однороликовые (одношариковые);

§ двух-, трехроликовые;

§ многороликовые (сепараторные, охватывающие).

3. У многороликовых накатников ролики располагаются в один или два ряда.

На рис. 3.5 приведена типовая компоновка трехроликового накатного приспособления. В нём силы накатывания от каждого ролика (шарика) взаимно уравновешиваются внутри корпуса приспособления и не передаются на подшипники шпинделя. Кроме того появляется возможность либо увеличить осевую подачу втрое (при одинаковом диаметре шариков), либо совместить за один рабочий ход упрочняющее (шариком меньшего диаметра) и сглаживающее (шариком большего диаметра) накатывание.

Рис. 3.5. Трехроликовое накатное приспособление

Для накатывания чаще всего используют универсальные станки токарной группы: токарно-винторезные, револьверные, карусельные и т.п. Во многих случаях проводят их целевую модернизацию.

Применяют также специальные станки. В частности, выпускаются станки для накатывания шеек вагонных и локомотивных осей, автоматы АОС-20 и АОС-60 для накатывания цилиндрических деталей типа штоков, станки Б-056 для накатывания стержней и т.д.

Отечественный станок БОС-1 предназначен для бесцентрового накатывания цилиндрических заготовок диаметром 6-65 мм, длиной до 5000мм, силой до 40 кН в наладочном, полуавтоматическом или автоматическом режимах. Он обеспечивает снижение параметра шероховатости R_a у заготовок с исходной величиной R_a=1,25–2,5 мкм и с твердостью до HRC 35 в 15–20 раз, а у заготовок с твердостью до HRC 50 – в 8–10 раз.

 

3.2. Влияние условий накатывания

на шероховатость поверхности

 

А. Конфигурация рабочего тела

 

На основании чисто геометрических соображений получены следующие формулы связи параметра шероховатости Rz после накатывания с осевой подачей S и геометрическими параметрами ролика.

Для роликов по рис. 3.6,а:

при

, (3.1)

при

, (3.2)

Для роликов по рис. 3.6,б:

(3.3)

Для роликов по рис. 3.2,а и шариков:

(3.4)

Рис. 3.6.(а) Схема образования микрорельефа на поверхности

детали для роликов: с закругленной деформирующей

частью и бочкообразных ;

Рис. 3.6.(б) Схема образования микрорельефа на поверхности

детали для роликов: с конической деформирующей

частью

Однако эти формулы не учитывают пластическое течение металла, а также его упругое восстановление после прохода ролика. Поэтому для достижения Rz=6,3мкм расчетную величину подачи следует уменьшить на 20% ,а для достижения Rz=0,8–3,2 – на 40%.