Справочник технолога-машиностроителя 2
Глава 6. ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

При изготовлении деталей машин приме­няют поверхностное пластическое деформирова­ние (ППД) — обработку давлением, при кото­рой пластически деформируется только по­верхностный слой материала детали (термины и определения по ГОСТ 18296-72). Разли­чают статическое, ударное, вибрационное и ультразвуковое ППД. В качестве рабочей среды используют жидкость (гидравлическое ППД) или сжатый воздух (пневматическое ППД); в качестве рабочих тел — ролики, шари­ки, дробь и т, д. ППД может выполняться одновременно несколькими методами обра­ботки (совмещенное ППД) или последователь­но также несколькими методами (комбиниро­ванное ППД), Цель обработки — образование определенной макро- и (или) микрогеометри­ческой формы (поверхностное пластическое формообразование, по ГОСТ 18970-73 в этом случае применяют термин «формоизменяю­щая операция»), уменьшение параметра шероховатости поверхности (сглаживание), измене­ние размеров заготовки до допустимых (кали­брующее ППД), изменение структуры мате­риала без его полной рекристаллизации (по­верхностный наклеп), создание определенного напряженного состояния (напряженный по­верхностный наклеп) и упрочение поверх­ностным наклепом.

При обработке деталей все перечисленные выше изменения обычно происходят в поверх­ностном слое. Основные из них определяют метод обработки ППД: накатывание (упроч­няющее, сглаживающее, формообразующее, калибрующее), поверхностные дорнование и редуцирование, обработка дробью, дробеабразивная обработка, галтовка, вибрационная ударная обработка, центробежная обработка, обработка механической щеткой, чеканка, вы­глаживание.

Следует указать, что одни и те же опера­ции в ГОСТ 18296-72 названы поверх­ностным дорнованием, редуцированием, а в ГОСТ 18970—73 —соответственно калибров­кой (термин «дорноваиие» не допустим) и ра­диальным обжатием (термин «редуцирование» не допустим). В справочнике наименования этих операций приняты по ГОСТ 18970—73 — калибрование, радиальное обжатие. Для операций поверхностного обкатыва­ния и раскатывания принята сокращенная форма — обкатывание и раскатывание.

Термины и определения по упрочняющей обработке приведены в ГОСТ 18295-72. В со­ответствии с ГОСТом упрочнение - это повы­шение сопротивляемости материала заготовки разрушению или деформации. Различают объемное и поверхностное упрочнения и объемную и поверхностную упрочняющие обработки. Может выполняться совмещенное и комбинированное пластическое деформирование.

Повышение значения заданного параметра сопротивляемости материала заготовки разру­шению или остаточной деформации по сравне­нию с исходным значением в результате упрочняющей обработки оценивается сте­пенью упрочнения. Общие требования к обра­ботке ППД устанавливает ГОСТ 20299-74.

Обработка ППД является эффективным методом получения поверхностей с регу­лярным микрорельефом. Классификация, пара­метры и характеристика таких поверхностей даны в ГОСТ 24773-81.

ОБКАТЫВАНИЕ И РАСКАТЫВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Сущность процесса и схемы обработки. Об­катывание и раскатывание осуществляют ро­ликами и шариками, оказывающими давление на поверхность обрабатываемой детали. При определенном (рабочем) усилии в зоне контак­та деформирующих элементов и детали интен­сивность напряжений превышает предел теку­чести, в результате чего происходит пластиче­ская деформация микронеровностей, изме­няются физико-механические свойства и струк­тура поверхностного слоя (например, увеличи­вается микротвердость или возникают оста­точные напряжения в поверхностном слое). Объемная деформация детали обычно незначительна.

Сочетанием вращательного и поступатель­ного перемещений детали и деформирующих элементов методами обкатывания и раскаты­вания обрабатывают плоские, цилиндрические, переходные поверхности, фасонные поверхно­сти и канавки (рис. 1, а — е).

В табл. 1 приведены способы обкатывания переходных поверхностей. При обкатывании наклонными и клиновыми роликами не тре­буется больших усилий, так как деформация на обрабатываемом участке происходит посте­пенно, при весьма малой мгновенной площади контакта. Однако такие ролики сложны в из­готовлении. Обкатывание с подачами по хорде и вдоль оси вала происходит при неоди­наковых условиях нагружения по длине хода,

Инструмент и приспособления. В условиях единичного и мелкосерийного производства крупных жестких деталей широко применяют однороликовые приспособления с упругими элементами (рис. 2, табл. 2). Наличие упругого элемента обеспечивает постоянное усилие об­катывания в любой точке обрабатываемой поверхности.

Приспособление состоит из ролика 1, роли­ковой головки 2, державки с нагрузочным устройством и упругим элементом (пружи­ной) 4.

Перед выполнением операции осущест­вляют предварительную затяжку рабочей пру­жины, сжимая ее с помощью резьбового эле­мента 6. Усилие сжатия контролируют по шкале, нанесенной на державке. Затем, переме­щая суппорт в поперечном направлении, ролик подводят до соприкосновения с поверхностью детали. При усилии обкатывания до 5000 Н рабочее усилие создается дальнейшим смещением суппорта. В рабочем положении между торцом гайки 6 и торцом державки 3 (рис. 2, а) или винта 5 (рис. 2,б) должен быть зазор 1 — 2 мм. При усилии обкатывания более 5000 Н нагружение проводится специальным механиз­мом приспособления: вращая винт 5, вклю­чают или выключают рабочую нагрузку (рис. 2, б и в). Для облегчения настройки приспо­собления на рабочее усилие под торцы элементов 6 установлены упорные подшипники, а в приспособлении с усилием до 40000 Н для этих же целей предусмотрен рычажный меха­низм.

Приспособления крепят в резцедержателе токарного или карусельного станка. При этом ось ролика должна находиться в одной пло­скости с осью детали и центром пятна контак­та ролика с деталью. Необходимо также обеспечивать Правильное угловое положение роли­ка. На рис. 3 показаны схемы установки приспособлений на токарном ставке. Для крепления приспособления в резцедержателе корпус 1 приспособления имеет два угольника 4 к 5, расположенных под углом 90° друг к другу. Пользуясь одним из этих угольников и повернув ролик 3 вместе с роликовой голов­кой 2 в корпусе приспособления (см. рис. 2), устанавливают приспособленке для обкатыва­ния шеек вала с подачами влево (рис. 3, а) и вправо (рис. 3,б) или для обкатывания тор­цовых поверхностей, расположенных справа (рис. 3,в) и слева (рис. 3,г) от ролика.

Приспособления с одним роликом приме­няют также при обработке отверстий большого диаметра и переходных поверхностей. Приспо­собления (рис. 4) крепят в расточной державке вместо резца. Упругий элемент - пружинный корпус державки (рис. 4, а) или пружины (рис. 4, б и в) позволяет проводить обработку с по­стоянным усилием обкатывания. Для умень­шения усилия пружины в конструкцию введен рычаг.

Ось вращения роликов в приспособлениях для обкатки переходных поверхностей (рис. 5, а и б) наклонена под углом 45º к оси детали. Корпус приспособления 1 крепится в резцедер­жателе токарного станка. Ролик 2 смонтиро­ван на оси в головке-рычаге 3; усилие обкаты­вания создается пружиной 4. В конструкции, показанной на рис. 5,б, предусмотрен само­устанавливающийся ролик, положение которо­го в осевом направлении регулируется за счет деформации резиновых прокладок 5. Для обес­печения контакта ролика с переходной поверх­ностью профиль ролика располагают эксцен­трично относительно оси вращения. Однороликовые приспособления просты и универ­сальны, но требуют значительного рабочего усилия, которое полностью вос­принимается узлами станка.

Применение в качестве деформирующего элемента шарика (рис. 6) позволяет вести обработку с меньшим усилием обкатывания, однако по производительности обработка ша­риком уступает обкатыванию роликом.

Для разгрузки узлов станка от односторон­не приложенного усилия и обработки нежест­ких деталей обкатывание целесообразно про­водить инструментами с несколькими дефор­мирующими элементами. Трехроликовое при­способление (рис. 7) крепят в суппорте станка. Державка 2 с роликами 3 шарнирно соединена с корпусом 1, поэтому биение поверхности ва­ла не сказывается на обработке.

Многороликовые раскатки с упругими эле­ментами, предназначенные для обработки отверстий больших диаметров, показаны на рис. 8.

У двухродиковых раскаток рабочее усилие создается пружиной, регулирование которой проводится смещением втулки с конической выточкой (рис. 8, а), смещением конуса (рис. 8,б) или установкой прокладок. Диаме­тральный размер раскаток, показанных на рис. 8, в, г и д, регулируют с помощью прокладок, устанавливаемых под пружины. У трехроликовой раскатки (рис. 8,е) ролики смещены по оси относительно Друг друга на 1,5 мм, что обес­печивает лучшее качество обработки. Для этой же цели у раскатки (рис. 8, ж) установлено два ролика с разными радиусами профиля. Ролик с малым радиусом профиля установлен несколь­ко впереди сглаживающего ролика. Плавающая двухроликовая раскатка, выполненная по типу плавающей развертки, показана на рис. 8,з.

Раскатывание глубоких отверстий выпол­няют на токарных станках или на станках для глубокого сверления. Для разгрузки роли­ков от силы тяжести раскаток и борштанг на раскатках монтируют деревянные, резиновые, пластмассовые направляющие. Рабочий про­филь деформирующих роликов для упрочняю­щей обработки имеет форму тора (табл. 3) с радиусом профиля R_пр = 0,8 ÷ 16,0 мм.

При высоких требованиях к шероховатости обработанной поверхности применяют ролики с рабочим профилем в виде тора (R_пp = 5 ÷ 200 мм; D = 40 ÷ 200 мм) и ролики с ци­линдрическим пояском.

Производительность процесса раскатыва­ния или обкатывания определяется R_пр роли­ка. Ролики с большим радиусом профиля поз­воляют вести обработку с большой подачей (до 2,5 мм/об), однако в этом случае для полу­чения высокого качества поверхности необхо­димо создавать большие рабочие усилия. От значения допустимого рабочего усилия зави­сят параметры ролика.

Ролики с цилиндрическим пояском позво­ляют работать с большой подачей. Чем больше ширина цилиндрического пояска, тем боль­ше может быть подача. При обработке мас­сивных деталей на крупных станках цилиндри­ческий поясок следует делать более широким (более 12—15 мм), так как обработать такие детали на большой частоте вращения доволь­но сложно, а большая подача может быть применена с успехом. Для обработки деталей меньшей жесткости, когда усилие обкатывания не должно быть большим, применяют ролики с пояском шириной 2 — 5 мм. Установка роли­ков с цилиндрическим пояском на станках за­труднительна. Для обеспечения их правильно­го положения применяют специальные при­способления с самоустанавливающимися ус­тройствами. Ширина цилиндрического пояска в этом случае равна 15 — 40 мм, по­дача — 5 - 15 мм/об.

Ролики изготовляют из сталей: легиро­ванных ШХ15, ХВГ, 9Х, 5ХНМ, углеродистых инструментальных У10А, У12А, быстрорежущих Р6М5, Р9, твердого сплава ВК8. Твердость рабочей поверхности роликов из сталей HRC 62-65.

Для обработки наружных и внутренних ци­линдрических и конических поверхностей диа­метром до 150 — 200 мм широко применяют многоэлементные инструменты (обкатки и раскатки) с установленными на заданный раз­мер свободными роликами или шариками. При обкатывании или раскатывании точно обработанных поверхностей используют жест­кие инструменты (рис. 9, табл. 4). Такие ин­струменты позволяют получать поверхности с высокой точностью размеров и геометриче­ской формы. Но из-за погрешности предше­ствующей обработки пластическая деформа­ция поверхностного слоя оказывается неравно­мерной. Основной размер (по роликам или шарикам) жестких инструментов регулируют перемещением деформирующих элементов в осевом направлении по опорному конусу.

Многоэлементные инструменты с упругими элементами (пружинящие) обеспечивают по­стоянное усилие контакта деформирующих элементов и обрабатываемой поверхности. Та­кие инструменты почти не уменьшают погреш­ности предшествующей обработки и являются копирующими. На рис. 10 показаны пружиня­щие двухшариковые раскатки. В регулируемой раскатке для обработки отверстий с диаметрами 130-400 мм (рис. 10, а) шарики во избежание заклинивания опираются на шарикоподшипни­ки. В раскатке меньшего диаметра (рис. 10,б) опорой для шариков служат вставки из фторо­пласта.

Двухрядные инструменты позволяют обра­батывать поверхности за два перехода: пред­варительный и чистовой. За счет этого дости­гается более высокое качество обработки. У шестишариковой двухрядной раскатки (рис. 11) опорные конусы находятся под воздей­ствием пружин, причем пружина шариков вто­рого ряда сильнее пружины шариков первого ряда.

При конструировании многороликових ин­струментов предусматривают установку роли­ков относительно оси вращения раскатки под углом ω = 0°20' ÷ 1º30' (рис. 12). В этом случае ролик перемещается по винтовой линии с углом подъема ω, обеспечивая самоподачу инструмента (мм/об) S_c = πDtgω. При работе на самоподаче уменьшаются проскальзывание роликов и их износ. Самоподача трудноосуще­ствима для тяжелых крупногабаритных ин­струментов. В этом случае применяют подачу от механизма.

В многоэлементных инструментах часто используют ролики от подшипников с обра­боткой заборного конуса (угол конуса 2φ = 5 ÷ 15°) или тора (R_пp = 0,2 ÷ 5,0 мм). Углы опорного конуса и ролика подбирают так, чтобы обеспечивался определенный задний угол а между образующими ролика и детали. В этом случае пятно контакта имеет каплевид­ную форму. Принимают для деталей из стали а = 0°30', для деталей из чугуна а = 1° ÷ 1º30'. Материал роликов и спорною конуса: сталь ШХ15, Р18, Р9, ХВГ. Твердость рабочей по­верхности HRC 60—65.

На рис. 13 приведена раскатка ударного (импульсного) действия. Сепаратор с ролика­ми надевается на оправку, на которой лыски сняты так, что в поперечном сечении равно­мерно чередуются дуги окружности и хорды. При работе каждый ролик в момент перехода с хорды на дугу наносит по обрабатываемой поверхности удар и одновременно перекаты­вается по ней. В результате такой обработки шероховатость поверхности деталей из стали, чугуна и цветных металлов снижается. Перед раскатыванием такими раскатками отверстия обрабатывают тонким растачиванием или раз­вертыванием с допуском на диаметры 0,01 мм и параметром шероховатости поверхности Ra ≤ 0,8 мкм. Припуск на обработку не дол­жен превышать 0,02 — 0,03 мм на диаметр.

При изготовлении раскатки ее детали обра­батывают с точностью по 5-му квалитету и пара­метром шероховатости поверхности Ra = 0,2 ÷ 0,4 мкм. Радиальное биение собранной раскатки по роликам при проверке на центрах не должно превышать 8—10 мкм. Рабочие по­верхности оправки, сепаратора и роликов за­каливают до твердости HRC 62—64. При из­носе оправки ролики переставляют по оси на неизношенный участок за счет перестановки колец.

Конструкции двухрядных инструментов че­хословацкого производства для обработки от­верстий диаметром 20—200 мм и наружных цилиндрических поверхностей диаметром 40—200 мм показаны на рис. 14. Первый ряд роликов установлен на упругую оправку, кото­рая может самоустанавливаться («плавать») в радиальном направлении. Для этого между рабочим кольцом, имеющим малую жест­кость, и корпусом установлены резиновые кольца. Для передачи момента поставлены штифты. Второй ряд роликов смонтирован на жесткой оправке. Назначение упругой плаваю­щей оправки — создав постоянные условия деформированной микронеровностей. Жесткая оправка позволяет повысить точность обра­ботки. Другой особенностью инструментов является то, что сепаратор с роликами переме­щается при работе по оси импульсами. Между сепаратором и конусом установлено резиновое кольцо. В момент заклинивания роликов меж­ду оправкой и поверхностью детали сепаратор неподвижен, кольцо сжимается. При отсутствии контакта, когда ролики находятся над хордой оправки, происходит импульсная осе­вая подача сепаратора с роликами.

Точность обработки. Изменение размера поверхности при обкатывании и раскатывании связано со смятием микронеровностей и пла­стической объемной деформацией детали. Та­ким образом, точность обработанной детали будет зависеть от ее конструкции и конструк­ции инструмента, режимов обработки, а также от точности размеров, формы и качества по­верхности детали, полученных при обработке на предшествующем переходе.

При обработке копирующими инструмен­тами жестких деталей изменение их размеров вызвано уменьшением микронеровностей на поверхностях. Величина изменения размера за­висит от состояния исходной поверхности (табл. 5). При этом точность размеров суще­ственно не меняется. Процесс обработки жест­ким инструментом характеризуется неболь­шими натягами и поэтому также сопровождает­ся незначительными изменениями размеров. При обкатывании и раскатывании тонко­стенных деталей точность их размеров можно повысить на 10 - 20 %, а отклонение формы при этом составит 10—30 мкм.

Неблагоприятные условия обработки дета­ли вблизи торцов приводят к увеличенной пластической деформации детали на участках длиной 3 — 15 мм. При высоких требованиях к точности следует проводить обработку с малыми усилиями, устанавливать предохра­нительные шайбы и т. п.

Наиболее целесообразно обкатыванием и раскатыванием обрабатывать исходные по­верхности 7-11-го квалитетов инструментами жесткого копирующего типа и поверхности 5 —7-го квалитетов ударными инструментами.

Шероховатость поверхности. При ППД практически достигаются параметры шерохо­ватости обрабатываемой поверхности Ra = 0,2 ÷ 0,8 мкм при исходных значениях этих параметров 0,8 — 6,3 мкм. Степень уменьшения шероховатости поверхности зависит от мате­риала, рабочего усилия или натяга, подачи, ис­ходной шероховатости, конструкции инстру­мента и т. д.

Режимы обработки. Обкатывание и рас­катывание следует проводить так, чтобы за­данные результаты достигались за один про­ход. Не следует использовать обратный ход в качестве рабочего хода, так как повторные проходы в противоположных направлениях могут привести к излишнему деформирова­нию поверхностного слоя. Кроме того, рабо­чий профиль роликов обычно предназначен для работы только в одну сторону.

Скорость не оказывает заметного влияния на результаты обработки и выбирается с уче­том требуемой производительности, конструк­тивных особенностей детали и оборудования. Обычно скорость составляет 30—150 м/мин.

Значение усилия обкатывания выбирают в зависимости от цели обработки. Оптималь­ное усилие Р_в (Н), соответствующее макси­мальному пределу выносливости, определяют по формуле

Р_в = 10(50 + D_д²/6),

где D_д — диаметр упрочняемой поверхности детали.

При упрочняющей обработке необходимо повысить поверхностную твердость детали на 25 — 40%. Глубина h_н наклепанного слоя для крупных деталей должна находиться в пре­делах

0,02R_д ≤ h_H ≤ 0,10R_д,

где R_д — радиус упрочняемой поверхности де­тали.

Усилие Р_н, обеспечивающее получение на­клепанного слоя глубиной h_н, определяют по формуле

Р_н = 2h_н² σ_тm²,

где σ_т — предел текучести материала детали; m — поправочный коэффициент, учитывающий кривизну контактирующих поверхностей;

где R_пр — профильный радиус ролика; D_p — диаметр ролика; R — радиус профиля де­тали в осевом сечении; для цилиндрической поверхности R = ∞.

Профильный радиус ролика принимают наименьшим, при этом не должно происхо­дить шелушения обрабатываемой поверхности летали.

Рабочее усилие обкатывания обычно принимают l,5P_0,05 ≤ P ≤ 3,0P_0,05, где Р_0,05 — усилие, обеспечивающее получение на­клепанного слоя глубиной h_н = 0,05R_д.

Подачу при обкатывании назначают не бо­лее 0,2—0,6 мм/об. При упрочнении пере­ходных поверхностей тяжелых валов исполь­зуют ролики с профильным радиусом на 0,5—2,0 мм меньше радиуса R переходной по­верхности; усилие обкатывания Р_г ≈ (1000R ± 1000) Н.

Рекомендуемые режимы упрочняющей обработки предполагают возможной после­дующую механическую обработку деталей для получения заданной точности и шероховато­сти поверхности. Эффект обработки при снятии малых припусков (табл. 6) снижается незначительно.

При высоких требованиях к качеству по­верхности и нецелесообразности снижения эффекта упрочнения в результате снятия части упрочненного слоя обработку ведут двумя ро­ликами — упрочняющим и сглаживающим (табл. 7) или применяют один или несколько одинаковых роликов с большим профильным радиусом. Режимы обработки роликом с про­фильным радиусом определяют по табл. 7 и номограмме, показанной на рис. 15. При из­вестных D_p, D_д и R_пp находят по номограмме значение усилия, которое следует умножить на коэффициент, зависящий от твердости мате­риала:

К_р = 0,01НВ – 0,4,

где НВ — число твердости по Бринеллю; 120 ≤ НВ ≤ 340.

По табл. 8 с учетом требований шерохова­тости поверхности и профильного радиуса ро­лика находят величину подачи.

При работе роликом с цилиндрическим по­яском шириной b принимают подачу S₁ = 0,3b мм/об для шероховатости с параметром Ra = 0,8 мкм. Найденное значение подачи кор­ректируют с учетом поправочных коэффициен­тов (табл. 9). При этом назначаемая подача

S = К₁К₂К₃S₁

Для многоэлементных инструментов при­нимают подачу S = 0,1 ÷ 3,0 мм/об. Оптималь­ная подача S_э на один оборот ролика не должна превышать 0,1-0,5 мм/об, на один оборот шарика — 0,01 — 0,05 мм/об. Подачу на один оборот детали (или инструмента) опреде­ляют по формуле S = kS_э, где k — число деформирующих элементов; S_э — подача на один де­формирующий элемент.

Обычно при раскатывании и обкатывании натяг i ≤ 0,03÷0,30 мм с учетом исходной и требуемой шероховатости, точности и диа­метра обрабатываемой поверхности, а также жесткости инструмента.

Смазывающе-охлаждающей жидкостью при обкатывании и раскатывании служат ма­шинное масло, смесь машинного масла с керо­сином (по 50%), сульфофрезол (5%-ная эмуль­сия). Обработку чугуна рекомендуется вести без охлаждения. В табл. 10 приведены реко­мендации по раскатыванию отверстий много­роликовыми раскатками в деталях из чугуна.