Поверхностное пластическое деформирование¶

Поверхностное пластическое деформирование (ППД) — это технологический процесс упрочнения и отделки поверхности деталей машин и инструментов, основанный на локальном пластическом течении материала в поверхностном слое под действием механического давления. В результате обработки изменяется микрорельеф, повышается твердость, создаются остаточные напряжения сжатия и улучшаются эксплуатационные свойства детали, такие как усталостная прочность, износостойкость и коррозионная стойкость.

¶Сущность процесса

ППД осуществляется путем приложения к обрабатываемой поверхности инструмента (шарика, ролика, чекана, дробинки) статического или динамического усилия, превышающего предел текучести материала в зоне контакта. В результате происходит пластическая деформация тонкого поверхностного слоя (обычно глубиной от 0,1 до 1,5 мм, реже до 3–5 мм), в то время как сердцевина детали остается упруго деформированной. После снятия нагрузки упругая сердцевина стремится вернуться в исходное состояние, но этому препятствует пластически деформированный слой, что приводит к возникновению в нем остаточных напряжений сжатия. Эти напряжения компенсируют растягивающие напряжения от внешних нагрузок, повышая усталостную прочность.

Одновременно с упрочнением происходит сглаживание микронеровностей: вершины исходных выступов срезаются или сминаются, а впадины заполняются вытесненным материалом, что снижает шероховатость поверхности (Ra может уменьшаться с 2,5–10 мкм до 0,08–0,32 мкм). В ряде случаев ППД позволяет заменить финишные операции шлифования, полирования или хонингования.

¶Классификация методов ППД

Методы поверхностного пластического деформирования классифицируют по нескольким признакам.

¶По характеру приложения нагрузки

Статические методы: инструмент (ролик, шарик, алмазный выглаживатель) прижимается к вращающейся или движущейся детали с постоянным усилием (от 50 до 5000 Н). Примеры: обкатывание роликами, раскатывание отверстий, алмазное выглаживание.
Динамические (ударные) методы: инструмент (чекан, дробь, иглофреза) воздействует на поверхность серией ударов с частотой от 10 до 300 Гц. Примеры: дробеструйная обработка, чеканка, центробежная обработка шариками.
Вибрационные методы: сочетание статического прижатия и колебаний инструмента с ультразвуковой (18–60 кГц) или звуковой частотой. Пример: ультразвуковое упрочнение (УЗУ).

¶По виду инструмента

Роликовая обработка: используются один или несколько роликов (цилиндрических, конических, сферических) из закаленной стали или твердого сплава. Применяется для валов, осей, штоков.
Шариковая обработка: инструмент — стальной или керамический шарик, закрепленный в обойме или свободно обкатывающийся. Используется для сложных фасонных поверхностей.
Алмазное выглаживание: инструмент — кристалл алмаза (природного или синтетического) с радиусом закругления 0,5–3 мм, закрепленный в державке. Обеспечивает наименьшую шероховатость (Ra до 0,02 мкм).
Дробеструйная обработка: поток дроби (стальной, чугунной, стеклянной) разгоняется сжатым воздухом или центробежным колесом до скорости 30–100 м/с. Применяется для крупных деталей (пружины, рессоры, лопатки турбин).
Чеканка: инструмент — боек с закругленным торцом, совершающий возвратно-поступательные движения. Используется для упрочнения сварных швов, галтелей, переходов.
Иглофрезерование: инструмент — вращающийся барабан с пучком стальной проволоки (игл). Удары игл упрочняют поверхность.

¶По виду обрабатываемой поверхности

Наружное обкатывание (валы, оси).
Внутреннее раскатывание (отверстия, цилиндры).
Обработка плоских поверхностей (плиты, направляющие).
Обработка сложных криволинейных поверхностей (лопатки, штампы).

¶История развития

Первые промышленные методы ППД — обкатывание роликами и дробеструйная обработка — начали применяться в конце XIX — начале XX века. В 1920-х годах немецкий инженер А. Тёпфер (A. Töpfer) систематизировал данные по упрочнению дробью. В 1930–1940-х годах в СССР (В. М. Браславский, И. В. Кудрявцев) и США (J. O. Almen) были разработаны научные основы создания остаточных напряжений сжатия. В 1950–1960-х годах появились методы алмазного выглаживания (СССР, В. К. Яценко) и ультразвукового упрочнения (СССР, И. И. Муханов). К концу XX века ППД стало стандартной операцией в авиастроении, автомобилестроении, энергетическом машиностроении и инструментальном производстве.

¶Технологические параметры

Эффективность ППД зависит от следующих основных параметров:

Усилие прижатия (P): определяет глубину наклепа и степень сглаживания. Оптимальное значение выбирается экспериментально для каждого материала и размера детали.
Подача (S): продольное перемещение инструмента за один оборот детали (для вращающихся тел). Влияет на шероховатость и равномерность упрочнения.
Скорость обработки (V): скорость вращения детали или перемещения инструмента. Обычно составляет 20–200 м/мин для статической обработки.
Число проходов (i): количество повторных обработок. Обычно 1–3 прохода, так как дальнейшее увеличение не дает прироста свойств.
Радиус инструмента (R): для шариков и роликов — от 2 до 20 мм. Меньший радиус дает большее давление, но меньшую глубину.
Время обработки (t): для дробеструйной обработки и чеканки.

¶Влияние на свойства материала

¶Остаточные напряжения сжатия

Главный эффект ППД — создание в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия величиной до 400–800 МПа (для сталей) на глубине до 0,5–2 мм. Эти напряжения:

Снижают амплитуду растягивающих напряжений от внешних нагрузок.
Замедляют зарождение и распространение усталостных трещин.
Повышают предел выносливости на 20–80% (в зависимости от материала и концентраторов напряжений).

¶Наклеп (деформационное упрочнение)

Пластическая деформация вызывает увеличение плотности дислокаций, измельчение блоков мозаики и, как следствие, повышение твердости поверхностного слоя на 20–60% (например, для стали 45 — с HRC 20–25 до HRC 35–40). Глубина наклепа составляет 0,3–2 мм.

¶Снижение шероховатости

Исходная шероховатость после механической обработки (Ra 2,5–10 мкм) снижается до Ra 0,08–0,63 мкм при алмазном выглаживании и до Ra 0,32–1,25 мкм при обкатывании роликами. При дробеструйной обработке шероховатость, наоборот, может увеличиваться (Ra 1,25–6,3 мкм), но создается равномерный микрорельеф, полезный для удержания смазки.

¶Повышение износостойкости

За счет повышения твердости и сглаживания микронеровностей износостойкость при трении скольжения и качения возрастает в 1,5–3 раза. Особенно эффективно ППД для деталей, работающих в условиях абразивного и гидроабразивного износа.

¶Повышение коррозионной стойкости

Сглаживание поверхности уменьшает площадь контакта с агрессивной средой и снижает вероятность питтинговой коррозии. Остаточные напряжения сжатия также препятствуют коррозионному растрескиванию.

¶Применение

ППД широко применяется в различных отраслях промышленности:

Авиастроение: упрочнение лопаток компрессоров и турбин, дисков, валов, шасси, элементов планера (дробеструйная обработка, чеканка).
Автомобилестроение: обработка коленчатых валов, шатунов, поршневых пальцев, рессор, пружин, шестерен, полуосей.
Энергетическое машиностроение: упрочнение валов турбин, роторов, бандажей, трубопроводов, сварных швов корпусов реакторов.
Инструментальное производство: упрочнение режущих кромок (алмазное выглаживание), штампов, пресс-форм, матриц.
Нефтегазовая промышленность: обработка бурильных труб, насосных штанг, деталей запорной арматуры.
Медицина: упрочнение эндопротезов, хирургического инструмента.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

Повышение усталостной прочности и долговечности деталей в 2–5 раз.
Снижение шероховатости поверхности без снятия стружки.
Отсутствие термического воздействия (в отличие от шлифования), что исключает прижоги и структурные изменения.
Экологичность процесса (нет стружки, СОЖ в меньших количествах, чем при резании).
Возможность обработки деталей сложной формы.
Низкая стоимость оснастки (для статических методов).

¶Недостатки

Ограниченная глубина упрочненного слоя (до 1–3 мм).
Невозможность обработки хрупких материалов (чугуна, керамики) без предварительного нагрева.
Сложность контроля глубины наклепа и напряжений в производственных условиях.
Необходимость предварительной механической обработки с определенной шероховатостью (для статических методов).
Износ инструмента (роликов, шариков, алмазов) при длительной работе.

¶Оборудование

Для реализации ППД используются:

Специализированные станки: роликовые обкатные станки, раскатные головки для отверстий, дробеструйные камеры, чеканочные установки.
Приспособления к универсальным станкам: токарным, фрезерным, расточным — в виде роликовых или шариковых оправок, алмазных выглаживателей.
Переносные устройства: для обработки крупногабаритных деталей (валов турбин, корпусов) на месте эксплуатации.
Ультразвуковые генераторы и преобразователи: для ультразвукового упрочнения.

¶Контроль качества

Качество ППД оценивают по:

Шероховатости поверхности (профилометр).
Твердости поверхностного слоя (микротвердомер, твердомер по Роквеллу).
Остаточным напряжениям (рентгеновский метод, метод сверления отверстий, метод колец).
Глубине наклепа (металлографический анализ, измерение микротвердости по сечению шлифа).
Внешнему виду (отсутствие рисок, задиров, отслоений).

¶Интересные факты

Дробеструйная обработка применялась для упрочнения рессор первых автомобилей Ford Model T в 1910-х годах.
Алмазное выглаживание позволяет получить поверхность с шероховатостью, сравнимой с полировкой, но без абразивного износа.
В авиастроении ППД является обязательной операцией для критических деталей двигателей (лопатки, диски) согласно нормам FAA и EASA.
Метод ультразвукового упрочнения позволяет обрабатывать детали из титановых и алюминиевых сплавов, которые склонны к налипанию при обычном обкатывании.

¶Источники

Кудрявцев И. В. Внутренние напряжения как резерв прочности в машиностроении. — М.: Машгиз, 1951.
Браславский В. М. Технология обкатки роликами и шариками. — М.: Машиностроение, 1965.
Яценко В. К. Алмазное выглаживание. — М.: Машиностроение, 1972.
Сулима А. М., Шулов В. А., Ягодкин Ю. Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. — М.: Машиностроение, 1988.
Овсеенко А. Н., Козлов А. А. Технология поверхностного пластического деформирования. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016.
ГОСТ 18296-72. Обработка поверхностным пластическим деформированием. Термины и определения.
Almen J. O., Black P. H. Residual Stresses and Fatigue in Metals. — New York: McGraw-Hill, 1963.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →