Упрочнения деталей при ремонте

9. Упрочнение деталей в процессе их ремонта

Среди методов упрочнения деталей, применяемых в процессе ре­монта, наибольшее распространение получили дробеструйная об­работка, обкатка наружных поверхностей, раскатка и формиро­вание отверстий, а также чеканка. Эти методы относятся к мето­дам пластического деформирования, и ими можно значительно повысить усталостную прочность и износостойкость деталей. Об катка шеек коленчатых валов повышает их усталостную проч­ность на 50—100 %.

При ремонте шатунов раскатывание отверстий втулок верхней головки повышает твердость поверхностного слоя бронзы на 20 %, а износостойкость втулок—в 2 раза. В качестве упрочняюще-калибрующего инструмента используют многороликовую регули­руемую раскатку.

Для обкатки фасок клапанных гнезд двигателей применяют коническую раскатку. Для раскатки используют вертикально-свер­лильный станок.

Перспективным является алмазное выглаживание, сущность которого заключается в пластическом деформировании поверх­ностных слоев алмазным наконечником, который крепится в рез­цедержателе суппорта токарного станка. Скорость выглаживания составляет 40—100 м/мин.

10. Электроискровая и анодно-механическая обработка

Электроискровая обработка относится к группе электрофизических методов. В эту группу входят, рассмотренные выше элек­тромеханическая обработка, обработка с применением ультра­звука, плазменной струёй и др.

Сущность электроискровой обработки заключается в способ­ности электрических искровых разрядов разрушать поверхности электродов.

При выполнении операций, связанных со снятием определен­ного слоя металла. Эта установка питается по­стоянным током напряжением 110—220 В от двигателя-генератора мощностью 5 кВт. Обрабатываемая заготовка подключается к аноду, а инструмент к катоду. Переменное сопротивление и регулируемая емкость конденсатора служат для назначения определенного режима обработки. Материалом для инструмента могут служить латунь, медь, чугун, алюминий и его сплавы и др. Разрушение материала происходит в результате многочисленных искровых разрядов между инструментом и заготовкой, сосредото­ченных на небольших участках. В процессе искрового разряда ме­талл анода переходит в жидкое и газообразное состояние. В ре­зультате мгновенного расширения паров металла происходят мик­ровзрывы и расплавленный металл сбрасывается с поверхности анода.

Обработка ведется в диэлектрической жидкости (керосин, минеральное масло и др.), поэтому частицы металла оседают на дно ванны. Инструмент вдоль оси подается автоматически от следящей системы , включенной в цепь генератора и подающей инструмент короткими импульсами.

При ремонте машин электроискровую обработку применяют для прошивки отверстий, удаления сломанных метчиков, сверл, шпилек, болтов, вырезания прорезей сложной формы, наращива­ния слоя до 0,5 мм из стали твердого сплава, алюминия и др. В результате электроискровой обработки усталостная прочность деталей снижается на 10—20 %.

Электроискровое наращивание и упрочнение применяют при восстановлении размеров шеек валов под подшипники качения и скольжения, для наращивания отверстий в корпусных деталях, для повышения износостойкости режущей части инструмента и др. Для электроискровой обработки промышленность выпускает уста­новки типа ЭФИ-25, УПР-ЗМ и другие с ручным вибратором.

Анодно-механическая обработка относится к группе электрохи­мических методов. Она основана на анодном растворении металла и удалении продуктов электрохимической реакции с обрабаты­ваемой поверхности. При анодно-механической обработке используют перемещение инструмента относительно обрабатываемой детали с подачей электролита (раствор жид­кого стекла). В качестве инструмента применяют металлический диск, металлическую ленту или проволоку. В процессе обработки на поверхности заготовки образуется токонепроводящая пленка кремнекислоты, которая удаляется движущимся инструментом.

1Коэффициенты нормативного запаса на основные типы оборудования, применяемого на геологоразведочных работах, приведены в приложениях А и Б.

2Для бурового оборудования на нефть и газ время монтажных и демонтажных работ, а также время перевозки оборудования с одного рабочего места на другое во время нахождения оборудования в работе не включают.

Источник

Упрочнение деталей при ремонте методами поверхностного пластического деформирования

Поверхностное пластическое деформирование (ППД) отличается от других методов ремонта: раздачи, осадки, вдавливания, правки соосных элементов валов т.п. тем, что при ППД одновременно с восстановлением формы ремонтируемой детали происходит изменение структуры поверхностных и подповерхностных слоев металла. При этом увеличиваются прочность металла, износостойкость рабочих поверхностей, оптимизируются структурные характеристики материала за счет повышения износостойкости и улучшения микропрофиля.

При обработке рабочих поверхностей резанием, как это следует из рис. 3.15, происходят процессы деформации металла, что приводит к увеличению количества нарушенных дислокаций (рис. 3.16 и рис. 3.17) [2, 5, 14].

Рис. 3.15. Схема образования микротрещин при механической обработке детали: 1 – микропрофиль детали перед обработкой; 2 – микротрещины; 3 – элементарная порция (элементарный блок) стружки; 4 – резец; 5 – микропрофиль детали после обработки; D – глубина проникновения микротрещин по линии сдвига

Рис. 3.16. Схема сил в нормальной дислокации:

а – схема атомной решетки; б – схема межатомных уравновешивающихся сил; 1 – атом поверхностного слоя; 2 – поверхность; 3 – атомы внутренних рядов структуры

Рис. 3.17. Схема сил в нарушенной дислокации:

а – схема атомной решетки; б – схема межатомных неуравновешивающихся сил. 1 – атом поверхностного слоя; 2 – поверхность; 3 – атомы внутренних
рядов структуры

Дислокацией называют область кристаллической решетки, искаженной под влиянием перемещений в ней атомов. Для оценки состояния материала детали используют энергетическую теорию Губера-Мизеса-Генки, т.е. условие постоянства удельной энергии изменения формы. Согласно данной теории, для перехода металла в пластическое состояние необходимо накопить в объеме вещества некоторое постоянное количество потенциальной энергии независимо от схемы напряженного состояния. Обозначив величиной А_ф удельную потенциальную энергию изменения формы, А_деф – энергию удельной потенциальной деформации металла, через А_о – удельную потенциальную энергию упругого изменения объема тела, получим выражение

Полагая деформации кубического элемента объема по осям x, y, z соответствующими величинам напряжений в элементе s₁, s₂, s₃, а разности между s₁ и s₃ равными s_s, т.е. s₁ – s₃ = s_s, с соответствующими s₁, s₂, s₃, получим

, (3.44)

, (3.45)

где e_i – характеристика деформации элементарного объема материала; e₁, e₂,
e₃ – деформации элементарного объема материала по осям x, y, z под действием сил деформации Р_деф.

Совместное решение уравнений (3.44) и (3.45) и использование так называемых «кривых упрочнения», полученных в результате экспериментальных исследований, позволяют найти величину «оптимального сопротивления деформации». При этом материал детали упрочняется в заданных технологической обработкой пределах за счет увеличения потенциальной энергии поверхностного слоя, «схлопывания» микротрещины и оптимизации характеристик исходного микропрофиля (см. рис. 3.18 и 3.19). Так, например, при осадке наружной поверхности трубы амортизатора или при ремонте впускного клапана методом вдавливания пуансона в его головку, напряжения могут быть подсчитаны по следующему выражению:

, (3.46)

где u – «коэффициент вытяжки»; F₀ – начальная площадь поперечного сечения детали; F₁ – площадь поперечного сечения детали после прошивки гладкой «брошью» или после обжатия оправкой.

Рис. 3.18. Схема расположения блоков и межблочных зон в приповерхностном слое детали:

1 – пленка окислов на поверхности детали; 2 – блоки (нормальные дислокации);
3 – межблочные зоны (нарушенные дислокации)

Рис 3.19. Схема увеличенного участка микропрофиля детали:

1 – микротрещины; 2 – межблочные зоны; 3 – блоки; 4 – поверхность детали;
5 – пленка окисла; l – длина опорной площадки на вершине гребешка микропрофиля;
S – соответствующая ей площадь

Коэффициент уменьшения поперечного сечения m подсчитывают по выражению

, (3.47)

где l₀ – длина детали до прошивки отверстия или до обжатия оправкой;
l₁ – длина детали после данной обработки;

, (3.48)

где k – коэффициент уменьшения поперечного сечения детали после обработки наружной и внутренней поверхности методами пластической деформации. При этом напряжение деформации s_z должно удовлетворять условию

, (3.49)

где s_р – предел прочности материала детали на растяжение (кг/мм 2 ).

Основными способами восстановления деталей методами пластического деформирования являются следующие: «а» – осаживание детали; «б»– раздача детали при прошивке гладкой «брошью»; «в» – обжатие детали при помощи специальной наружной оправки (рис. 3.20) [4, 12].

Методы ПДД приводят к увеличению усталостной прочности детали на 25…30 % и более. Они широко использовались при восстановлении деталей двигателей в ОАО ГАЗ (г. Нижний Новгород) и в ярославском объединении «Автодизель» (г. Ярославль, г. Тутаево). Некоторые режимы упрочнения автомобильных сталей с увеличением усталостной прочности s_-1 (%) после ППД приведены в табл. 3.15.

Рис. 3.20. Схема восстановления деталей способами давления:

а – осадкой; б – раздачей; в – обжатием; Р – приложенные силы,
s – деформации под действием этих сил

Мартенситная структура – специфическая мелкоигольчатая микроструктура сплава, определяющая его максимальную твердость. Скорость V распада мартенсита соответствует выражению

, (3.50)

где n – число кристаллов карбида; u – энергия активизации распада 33000 (кал/моль); R – постоянная среды; Т – температура (К).

Наиболее эффективными приемами ППД являются технологические процессы обкатки галтелей коленчатых валов, стержней и фасок клапанов роликами, обработка заготовок стальных и чугунных коленчатых валов, а также распределительных шестерен металлической «дробью» в потоке сжатого воздуха, упрочнение при ремонте рабочих поверхностей «зеркала цилиндров» с помощью механических, пневматических и электрических вибраторов и другие, подобные перечисленным, процессы. Усилие воздействия на упрочняемую деталь не должно сообщать излишней энергии поверхностным ее слоям. В противном случае возможно искажение формы детали, главным образом, в виде изгибов продольной оси. Для увеличения стойкости детали к усталостным напряжениям s_-1 (см. табл. 3.15) необходимо соблюдать при операциях ППД ограничения величин «нагрузки обката», не превышая ее допустимых величин.

Источник

УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ИЗНОШЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Упрочнение деталей. Различают ме­ханический, термический, химико-тер­мический и гальванический методы уп­рочнения деталей.

Механическое упрочнение произво­дится накаткой или дробеструйным на­клепом. Накатка применяется для упрочнения деталей, работающих со значительными знакопеременными на­грузками, приходящимися на наруж­ные слои металла. Как правило, ее ис­пользуют для упрочнения металла ко­лесных пар и рабочих поверхностей коллекторов электрических машин. Выполняют накатку на станках с при­менением специальных приспособле­ний.

Дробеструйный наклеп используют для повышения поверх­ностной прочности листов рессор.

Термическое упрочнение произво­дится поверхностной закалкой токами высокой частоты или объемной терми­ческой закалкой.

Поверхност­ная закалка позволяет получить закаленный слой толщиной от сотых долей миллиметра до 8—10 мм при вы­соком качестве поверхности, которая не обезуглероживается и не окисляется. Этот вид термического упрочнения ис­пользуют для деталей, поверхности ко­торых изнашиваются в результате тре­ния.

Термическая закалка — это обычная объемная закалка, при ко­торой упрочняемую деталь нагревают в пламенной или муфельной печи до ус­тановленной для данного металла тем­пературы с последующим охлаждением ее в подсоленной воде или масле.

Химико-термическое упрочнение вы­полняют методами цементации, азоти­рования и цианирования. Цемента­ция — это науглерожирование по­верхностных слоев низкоуглеродистых сталей; азотирование — внесе­ние в поверхностные слои стали азота; цианирование — одновременное внесение углерода и азота в газовой среде.

Наилучший результат дает циани­рование (нитроцементация) деталей из углеродистых сталей. Деталь помеща­ют в закрытую печь и нагревают в газо­вой смеси окиси углерода и аммиака. Предел прочности стали при этом уве­личивается в 1,5—1,7 раза. При газовой цементации применяют окись углеро­да, при азотировании — аммиак.

В последнее время стала широко применяться цементация твердой пас­той, состоящей из технической сажи, кальцинированной соды и железисто­синеродистого калия. Смесь перемеши­вают в веретенном масле и наносят на деталь слоем толщиной 3—4 мм. По­верхности, не требующие цементации, защищают специальной обмазкой. Подготовленные детали укладывают в металлические ящики, закрывают, об­мазывают огнеупорной глиной и уста­навливают в заранее подогретые печи. Процесс протекает при температуре 920—950 °С. Детали выдерживают в печи до получения требующейся глуби­ны цементации из расчета 0,8—1 мм/ч, после чего постепенно охлаждают. Далее проводят закалку с повторным подогревом, в результате чего содержа­ние углерода в поверхностном слое до­стигает 1 %, твердость — 60 HRC. После закалки производят отпуск дета­ли при температуре 180—200 °С в тече­ние 20—30 мин.

Восстановление изношенных по­верхностей. Основными способами вос­становления поверхностей являются слесарные способы, наплавка, поста­новка накладок, металлизация, гальва­ническое покрытие и покрытие поли­мерными материалами.

Слесарные способы включают опиливание, развертывание, рассверливание, штифтование и др.

Опиливанием устраняют мелкие незначительные дефекты — забоины, риски, неглубокие трещины, следы подплавления, наплывы и задиры.

Развертыванием выполняют окончательную обработку подшипников скольжения и отверстий под штифты и призонные болты.

Высверливанием удаляют неисправные или ослабшие заклепки, оборванные болты и шпильки. Рассверливание применяют для исправления резьбовых отверстий, а шабрение— для подгонки подшипников скольжения по шейкам и обработки стыковых поверхностей сопрягаемых деталей.

Штифтование (гужонирование) производят для устранения трещин в ненагруженных частях деталей путем постановки медных резьбовых ввертышей (гужонов) с последующей их расчеканкой (рис. 1.3).

Можно устранять дефекты на поверхностях сопрягаемых деталей обработкой этих поверхностей на металлорежущих станках под ремонтные размеры. Например, дефектный конец вала 1 (рис. 1.4) начальным (чертежным) диаметром Дн обрабатывают до ремонтного диаметра Др, а из ремонтного запаса подбирают сопрягаемую деталь 2 внутренним диаметром Др или используют ранее установленную на этом валу деталь диаметром Дн, в которую впрессовывают втулку 3 внутренним диаметром Др, или наращивают отверстие этой детали металлом до требующегося диаметра Др. Можно наращивать конец вала 4 до ремонтного диаметра Др, а сопрягаемую деталь 5подбирать с внутренним диаметром Др или обрабатывать внутреннюю поверхность ранее установленной на валу детали 6 до требующегося диаметра Др. Естественно, что при обработке вала и отверстия до нужных диаметров должны учитываться допуски на требующуюся посадку. Описанный способ достаточно технологичен, но требует наличия ремонтного запаса деталей различных ремонтных размеров.

Рис. 1.3. Последовательность установки гужона: а — ввертывание; б — расклинивание

Способы пластической деформации основаны на способности ряда кон­струкционных материалов изменять без макроскопических нарушений сплош­ности форму или размеры под действи­ем внешних сил и сохранять их после снятия нагрузки. Детали из пластичес­кого материала можно деформировать в холодном (цветные металлы) или го­рячем (сталь, чугун) состоянии. Наи­большее распространение получили следующие способы объемной и по­верхностной пластической деформации деталей (рис. 1.5): осаживание (а), вдав­ливание (б), раздача (в), обжатие (г), вытяжка (д), правка (е). При этом при­меняются такие приспособления, как оправка 7, шар 2, матрица 3, толкатель 4, прошивка 5 и ролик 6.

Рис. 1.4. Ремонтные размеры вала и отверстия

Рис. 1.5. Способы объемной и поверхностной пластической деформации деталей для восстановления их размеров и формы

Источник