Наплавкой восстанавливают до 70 % изношенных деталей. Острой проблемой при этом является возникновение в наплавленном поверхностном слое растягивающих остаточных напряжений, которые значительно снижают долговечность слоя при воздействии на него циклических нагрузок.
Одним из способов снятия растягивающих остаточных напряжений и создания сжимающих напряжений в поверхностном слое является упрочнение поверхностным пластическим деформированием (ППД). Упрочнение ППД позволяет также создать на поверхности наклепанный слой с высокой твердостью и требуемой шероховатостью. При этом упроченный металл плавно переходит в неупрочненный, что исключает его отслоение.
Наибольший эффект от деформационного упрочнения наблюдается у циклически нагружаемых деталей с конструктивными (галтели, выточки, резьбы, зубья, шлицы) или эксплуатационными (царапины, надрезы) концентраторами напряжений. При оптимальных режимах обработки долговечность деталей при перегрузках повышается в десятки раз, а предел выносливости – в 1,5…3 раза.
Известно, что в ряде случаев пятнисто упрочненный слой (гетерогенная структура) обладает повышенной контактной выносливостью и сопротивлением усталости, высокой живучестью при большой несущей способности. Это происходит вследствие торможения вязким и пластичным материалом хрупкой трещины, зародившейся в твердой структурной составляющей. До настоящего времени гетерогенные слои удавалось получить только методами химико-термической обработки, комбинированной с другими методами физико-химического воздействии. Для формирования гетерогенных структур методы ППД ранее не использовались.
Существует ряд тяжелонагруженных деталей машин восстанавливаемых наплавкой, для которых необходимо создание упрочненного поверхностного слоя с большой глубиной и степенью упрочнения, например, гребные валы морских судов, изготовленные из стали 25, стали 35 и других углеродистых сталей. Диаметр валов, подвергающихся ППД, составляет 150…400 мм с длиной поверхности для упрочнения 1000…2000 мм, при этом требуемая глубина упрочненного слоя – 5 мм и более. Также восстанавливаются в полевых условиях непосредственно на железнодорожном полотне без демонтажа сердечники крестовин стрелочных переводов изготовленные из марганцовистой стали 110Г13Л, имеющих размеры наплавляемой поверхности 400×40 мм с требуемой глубиной упрочненного слоя 6 мм.
Для таких деталей профессор Киричек А. В. с сотрудниками (ОрелГТУ) разработали новый способ упрочнения ППД – статико-импульсную обработку (СИО). Особенность СИО заключается в возможности нагружать упрочняемую поверхность управляемым импульсным воздействием, что позволяет рационально использовать энергию удара при нагружении поверхности . Технология упрочнения СИО включает предварительное статическое с последующим периодическим импульсным нагружением инструмента. Применение статических методов ППД (например, выглаживание или накатывание при значительных статических нагрузках до 250 кН), часто не рационально, из-за большой энергоемкости, в то время как аналогичное по эффективности силовое воздействие может быть получено при реализации СИО, но с меньшими энергетическими затратами.
Для реализации СИО используется специальное ударное устройство, обладающее компактностью и малой металлоемкостью, что позволяет монтировать его на различное металлообрабатывающее оборудование, а также на передвижное ремонтное оборудование, используемое, например, для восстановления сердечников крестовин стрелочных переводов непосредственно на железной дороге.
Исследованиями установлено, что при СИО максимальная степень упрочнения поверхности деталей из стали 110Г13Л достигает 150 %, из стали 45 – 60 %, из стали 40Х – 20 %, из стали 9ХС – 20 %. При этом глубина упрочненного слоя составляет, соответственно, 10, 7, 6, 4 мм при более оптимальных, чем при статических способах обработки ППД, значениях градиента наклепа. Достигаемая величина шероховатости при удовлетворительной волнистости составляет Rа = 1,6 мкм.
Установлено, что в зависимости от степени перекрытия отпечатков, полученных при внедрении деформирующего инструмента в заготовку под действием единичных ударных импульсов, возможно получение как равномерно, так и неравномерно упрочненной поверхности. Необходимая степень перекрытия достигается варьированием частоты ударных импульсов и скорости подачи.
Статико-импульсная обработка позволяет достигать значительной степени (до 100 % и более) и глубины (до 10 мм) упрочнения, обеспечивая при этом плавный переход от упрочненного слоя к неупрочненному. Управляя технологическими параметрами СИО можно создавать как равномерно упрочненный, так и пятнисто упрочненный поверхностный слой, что выгодно отличает СИО от других методов обработки ППД.
Внутренние резьбы относятся к категории наиболее распространенных и, в то же время, ответственных элементов деталей машин. Существующие в настоящее время способы формообразования и упрочнения внутренних резьб, из-за технологических сложностей не в должное мере обеспечивают требуемый уровень статической и усталостной прочности.
Известно, что повышение статической и усталостной прочности резьб может быть достигнуто обработкой пластическим деформированием – накатыванием. Однако имеется ряд факторов, ограничивающих область применения данного метода при обработке внутренних резьб. Накатывание внутренних резьб возможно только для резьб с относительно небольшим шагом в заготовках из пластичных материалов. Глубина упрочнения при этом составляет не более 2 мм, что в ряде случаев является недостаточным. Повысить глубину упрочнения позволяет статико-импульсная обработка.
Проведенные в ОрелГТУ исследования показали, что глубина упрочненного слоя при СИО может достигать 10 мм и более при степени упрочнения поверхностного слоя до 200 %. Это позволяет обеспечить широкий диапазон показателей качества резьбы, обработанной СИО. При необходимости достижения более высокой твердости поверхностного слоя СИО может осуществляться на заготовках, предварительно упрочненных термической обработкой. Возможно несколько вариантов применения СИО для формообразования и упрочнения внутренних резьб:
- опережающее СИО поверхностно-пластическое деформирование ППД отверстия дорнованием или раскатыванием с последующим нарезанием резьбы;
- формообразующая СИО (черновая или окончательная) метчиками или головками;
- упрочняющая СИО предварительно нарезанной резьбы метчиками или головками (черновая или окончательная).
Во всех вариантах СИО может сочетаться с лезвийной обработкой метчиками, резцами или резьбовыми фрезами, термической и химикотермической обработкой, резьбошлифованием, чистовой обработкой ППД (раскатыванием, выглаживанием или дробеструйной обработкой). В качестве окончательной операции рекомендуется использование отделочноупрочняющей обработки ППД, так как оно обеспечивает более высокое качество поверхностного слоя.
Способ статико-импульсного формообразования и упрочнения внутренних резьб реализуется с помощью механизма подачи станка, с установленным на нем гидравлическим генератором механических импульсов (рис. 25). На нижней рабочей части генератора установлен метчик-волновод с равномерно расположенными в нем резьбовыми деформирующими элементами 5, в количестве не менее трех, которые могут перемещаться относительно корпуса метчика 14, и длина которых несколько больше высоты заготовки 11.
Резьбовые деформирующие элементы смещены друг относительно друга в продольном направлении на величину равную Рш / n, где Рш – шаг получаемой резьбы, n – количество резьбовых деформирующих элементов. Метчик-волновод в нерабочем состоянии с наружным диметром Dmin по резьбовым деформирующим элементам, меньшим внутреннего диаметра отверстия заготовки Dз, свободно вводится в отверстие заготовки.
Рис. 25. Метчик-волновод для статико-импульсного формообразования и упрочнения внутренних резьб
Как только упорное кольцо 8 соприкасается с неподвижной опорой 9 станка, резьбовые элементы начинают перемещаться в радиальном направлении от центра метчика-волновода, при этом пружина 3 сжимается. При соприкосновении резьбовых элементов 5 с отверстием заготовки боек 16 начинает наносить удары по метчику-волноводу. Одновременно заготовке, закрепленной в патроне 7, от соответствующих механизмов станка сообщают главное вращательное движение Vз и поступательное движение подачи Sпр, равное шагу получаемой резьбы.
В зависимости от модели станка вращение и продольная подача может сообщаться инструменту при неподвижной заготовке.
Под действием статической и динамической составляющих нагрузки деформирующие элементы внедряются в отверстие заготовки, формируя в нем резьбу. Возврат метчика-волновода в исходное положение после каждого ударного импульса происходит под действием пружины возврата 15, при этом длина перемещения метчика-волновода контролируется ограничителем хода 2, который расположен в пазу метчика-волновода. Деформирующие элементы остаются в постоянном контакте с заготовкой под действием пружины и радиальной силы накатывания. При повороте заготовки на 1 / n оборота (n – количество деформирующих элементов) формируется полный профиль резьбы. При этом деформирующие элементы своим скосом упираются в коническую выточку 12 ограничительной втулки 4, которая, в свою очередь, упирается в торец 13 метчика-волновода.
Радиальное перемещение деформирующих элементов прекращается, боек прекращает наносить удары по метчику-волноводу, и при повороте заготовки на полный оборот метчик-волновод калибрует полученную резьбу.
Для вывода метчика-волновода из обработанной заготовки прекращают вращение заготовки и механизм подачи станка, с установленным гидравлическим генератором механических импульсов (не показан) с нижней рабочей частью и метчиком-волноводом выводят.
Под действием пружины ограничительная втулка опускается вниз, а стягивающая пружина 6 перемещает деформирующие элементы радиально к центру, которые выходят из образованного резьбового профиля заготовки и освобождают ее. От выпадения из пазов метчика-волновода деформирующие элементы фиксируются конической выточкой ограничительной втулки, стягивающей пружиной и стопорным кольцом 10.
Статико-импульсное формообразование и упрочнение внутренних резьб предлагаемым метчиком волноводом может быть реализовано для резьб диаметром 30…100 мм. СИО внутренних резьб меньшего диаметра целесообразно осуществлять перед дорнованием, а СИО внутренних резьб диаметром более 100 мм – резьбонакатными головками.