Дробоструменеве зміцнення

За допомогою пневмодробоструменевих і дробометних процесів зміцнюють, а також очищують деталі практично будь-якої геометричної форми, і при цьому не потрібна їх строга орієнтація у просторі. Введення в дробоударне зміцнення мастильно-охолоджуючих рідин і розробка методів гідродрібоударного (ГДУ) зміцнення дозволяє зробити процес більш тонко регульованим і стабільним. Дробоструменеве зміцнення легко піддається автоматизації.

З найбільш типових дробометних пристроїв, що використовують у промисловості, відомий пристрій моделі ДУ-1 і його модифікації. В основу пристрою ДУ-1 покладений механічний принцип розкидання дробу швидкообертовим потоком з вертикальним розміщенням осі його обертання. Подача дробу і очищення його від уламків автоматизовані. Пристрій складається з трьох головних частин: робочої камери, сепаратора і елеватора. Дріб засипається в завантажувальний бункер елеватора, потім піднімається елеватором у бункер живильного пристрою ротора, з якого він попадає через дросель на лопатки ротора, котрі надають дробу швидкість до 70 м/с. Деталі, які поміщуються у струмінь дробу, зміцнюються. Відпрацьований дріб падає в нижній збірник елеватора. В процесі вільного падіння дріб зустрічається з струменем повітря, уламки дробу малої маси зносить у бункер відходів. Цей пристрій використовується для зміцнення наклепом багатьох деталей, в тому числі спіральних пружин, напівосей заднього мосту тролейбуса, прошивочних пуансонів гарячого штампування тощо.

Недоліками дробометного зміцнення є нагрів деформованої поверхні через удари твердих дробинок, які летять з великою швидкістю, невисока щільність і рівномірність потоку дробу, що відображається на однорідності і суцільності зміцнення. Ці недоліки частково ліквідовані в установках дробометного типу, які здійснюють зміцнення мікрокульками діаметром 0,1…0,2 мм. Мікрокульки подаються зверху у внутрішню порожнину валу роторного колеса і розкидаються щільним струменем через радіальні отвори або щілини, набираючи під дією відцентрових сил швидкість 40…100 м/с. Застосування мікрокульок замість дробу дозволяє більш тонко регулювати ступінь зміцнення у важкодоступних місцях, наприклад у западинах зубців.

Зміцнення і очистка крупних і важких деталей в умовах важкого машинобудування виконується в дробоструменевих камерах форсункою, якою керує одягнений у відповідний автономний скафандр оператор або спеціальний робот. Отже для зміцнення необхідний кулястий та міцний дріб. Щоб не було деформування дробу в момент удару, твердість його повинна бути вища твердості оброблюваного матеріалу. Але при великому підвищенні твердості дробу підвищується його крихкість, що призводить до розколу дробу, пошкодження зміцнюваної поверхні та знижує ефективність процесу.

Легування чавуну, з якого виробляють дріб, нікелем, хромом та міддю підвищують якість дробу. Наприклад: введення в чавун 0,3…0,5% міді підвищує міцність дробу на ударних випробуваннях на 20…50%. Відпал дробу також позитивно впливає на його якість. Головний недолік чавунного дробу — його підвищена крихкість та велика витрата при дробоструменевій обробці. Так, витрата чавунного дробу на один ротор дробоструменевої установки, що призначена для зміцнення ресор, при швидкості 70…80 м/с сягає 50 кг. Тепер замість дробу з відбіленого чавуну використовують сталевий дріб. Сталевий дріб загартовується при t=860…900°C з наступним низькотемпературним відпуском при t=180…220°C за 1,5…2 год. Він має високу стійкість (витрата його в 30 разів менша, ніж чавунного).

Деформуючим елементом на пневмодробоструменевих дробометних пристроях є звичайний дріб. Його класифікують за типом матеріалу — чавунний, сталевий, скляний, рублений з дроту, кульки від підшипників; за діаметром — від 0,025 до 4…5 мм; за точністю - допуск від 0,4 (для дробу) до 0,02 мм (для кульок від підшипників); за геометрією — довільна у литого дробу і правильної форми у кульок. Для зміцнення кольорових сплавів рекомендується застосувати алюмінієвий або скляний дріб.

Чим вище динамічна міцність, однорідність за розмірами і твердість дробу, призначеного для дробоударної обробки, тим кращі його технологічні якості. Якість дробу звичайно характеризується його динамічною міцністю — тобто здатністю витримувати удари об оброблювану поверхню не руйнуючись. Практика роботи показує, що витрати сталевого дробу в 30…60 разів менші, ніж чавунного, і, не дивлячись нате, що сталевий дріб дорожче чавунного в 4…5 разів, видатки на сталевий дріб в 8…10 раз менші, ніж на чавунний. Максимальна швидкість Чавунного дробу лімітується його міцністю і звичайно не перевищує 90 м/с. Застосування сталевого дробу дозволяє збільшити швидкість в 1,5…2 рази порівняно з швидкістю чавунного дробу.

На практиці застосовують дріб діаметром 0,4…2,0 мм. Чим менше діаметр дробу, тим нижча шорсткість обробленої поверхні. При зміцненні деталей з концентраторами напружень на робочій поверхні кращі результати отримують при обробці дробом, радіус якого відрізняється від радіуса концентраторів напружень типу галтелей, надрізів або канавок. При невеликих концентраторах напружень застосовують дріб з радіусом, більшим радіусу концентратора напружень. В цьому випадку зона впливу концентратора напружень не виходить за межі глибини зміцненого шару. Якщо концентратор напружень глибокий, слід застосувати мілкий дріб з радіусом, меншим радіуса концентратора напружень. Сталевий і чавунний дріб має значне розсіювання розмірів, форми і твердості, що значно впливає на якість поверхні. Цих недоліків позбавлений, наприклад, спосіб гідродробоударного зміцнення: в робочу суспензію входять стандартні сталеві кульки зі стабільними геометричними параметрами.

4.3.1 Методи дробоструменевої обробки

Методи обробки матеріалів поділяють на дві групи — обробка сухим дробом та обробка дробом із мастильно-охолоджуючою рідиною (МОР). При сухій дробоударній обробці, коли удари дробу слідують один за одним з великою частотою, перші удари відчищають поверхню не тільки від окалини чи окисної плівки, але й від чужорідних молекулярних часток, роблячи її ювенільною. Цей процес проходить в умовах сухого тертя.

Гідродробоструменеве зміцнення проходить в умовах гідродинамічного тертя, бо в зоні удару завжди є прошарок мастильного матеріалу, та поверхня дробинок вкрита МОР.

Кожний з методів обробки характеризують кілька параметрів:

- спосіб передачі дробу кінетичної енергії;

- швидкість польоту дробу (1…100 м/с).

Характеристика дробу: його матеріал (чавун, сталь, скло чи матеріал деталі); метод виробництва, діаметр, форма.

При обробці дробом шорсткість оброблюваної поверхні підвищується незначно, а при деяких методах та режимах обробки можливе і зменшення шорсткості.

При обробці обох видів взагалі має місце прямий удар, коли куля входить в тіло, а не ковзає по ньому. Створюється тертя, яке є тертям удару.

Удар кульки по пласкій поверхні тіла, вкритого плівкою МОР, з енергією Е_у складається із кількох окремо закінчених етапів її руху (рисунок 4.6) і формування лунки глибиною h:

- подолання кулькою товщини h_p плівки рідини h_j=0;

- входження кульки на глибину h₂;

- додаткове входження кульки на глибину h₃;

- відскок кульки на відстань h₄; енергія пружно напруженого металу передається кульці і вона витрачає енергію на розрив тимчасового зв’язку з поверхнею;

- продовження відскоку кульки, яка витрачає енергію на подолання сил молекулярного зчеплення з рідиною, на поверхні залишається лунка глибиною h=h₅.

Рівняння балансу енергій має вигляд:

Е_y= Е_пл.д + Е_тр + Е_р + Е_хв, (4.3)

де Е_пл.д — енергія, витрачена на пластичне остаточне деформування (створюється лунка);

Е_тр— енергія, витрачена на тертя без мастильного матеріалу і адгезійне зчеплення;

Е_р — енергія, пов’язана з введенням ЗОР при гідродробоструменевій обробці та витрачена на руйнування рідинної плівки при входженні кульки і на подолання зчеплення з нею при її відриві;

Е_хв — хвильова енергія, що розповсюджується у глибину металу.

Рівняння балансу енергії показує, що при гідродродробоструменевій обробці у порівнянні з дробоструменевою обробкою додатково витрачається енергія Е_р на подолання рідинної плівки, але в той же час різко зменшується така складова, як Е_тр.

Очевидно, що Е_тр > Е_р.

В результаті, не враховуючи Е_хв, бо воно має мале значення, отримаємо:

Е_пл.д = Е_y – ( Е_тр + Е_р ). (4.4)

Корисна енергія Е_пл.д зміцнення обробкою дробом характеризується кінцевим ефектом — створенням лунки; при однаковій Е_у ця енергія при гідродродробоструменевій обробці більша, ніж при дробоструменевій обробці:

Е_пл.д.р > E_пл.д.с

Коефіцієнт корисної дії удару η = Е_{пл д} / Е, відповідно, η_ус<η_ур, тобто ККД удару при гідродродробоструменевій обробці буде більший, ніж при дробоструменевій обробці.

Зміцнення сухим дробом здійснюють на дробоструменевих та дробометних установках. В дробоструменевих установках дробу надається кінетична енергія в дробоструменевому соплі стиснутим повітрям, що подається через повітряну форсунку, в дробометних установках — у відцентровому дробометному колесі.

Головні ознаки зміцнення сухим дробом: простота конструкції установки, тому що використовується централізована система подачі стиснутого повітря, яка є на підприємствах; концентрований струмінь дробу, який має можливість обробити важкодоступні місця деталей; можливість отримання високих швидкостей польоту дробу; можливість сепарації дробу струменем повітря; відсутність необхідності промивки деталі після зміцнення.

vо=vу	v1	v2	v3=0	v4	v5 =vот
Рисунок 4.6 - Етапи взаємодії робочого тіла з поверхнею, що оброблюється дробом.

Недоліки зміцнення сухим дробом: жорсткий удар дробинок по деталі при великих швидкостях польоту викликає високі локальні температури, наприклад, при зміцненні сталі миттєва температура сягає 650°С і більше.

Залишкові напруження стиску мають максимальне значення на певній відстані від поверхні.

При дробоструменевому зміцненні шліфованих поверхонь, цементованих і загартованих деталей шорсткість підвищується у середньому на 1…2 мкм; при зміцненні деталей з покращеної сталі, з титанових та алюмінієвих сплавів шорсткість підвищується на 2,5…5 мкм. У багатьох випадках відбувається активний перенос часток дробу на поверхню деталей, що зменшує їх корозійну стійкість, особливо деталей, виконаних з матеріалу на не залізній основі.

Режим зміцнення характеризується значною нестабільністю, що пояснюється таким чином: великим допуском на діаметр дробу (наприклад, для діаметру дробу 0,5…0,8 мм чи 0,8…1 мм допуск складає близько 1/3 діаметру дробинки); підвищеному зношуванні дробу внаслідок сухого тертя, яке призводить до помітного зменшення дробу вже протягом однієї зміни безперервної роботи установки (для чавунного дробу — в більшій мірі, для сталевого — в меншій), що знижує стабільність процесу, бо енергія удару пропорційна діаметру дробу в третьому ступені. Крім цього, установки для дробоструменевої обробки мають ряд експлуатаційних недоліків, пов’язаних з швидким зношуванням сопла та інших елементів.

Головні переваги гідродробоструменевого зміцнення в порівнянні з дробоструменевим: залишкові напруження тільки стискаючі і, як правило, мають максимальні значення на деякій глибині. Порівняно низький параметр шорсткості (R_a=l,25…0,16 мм) поверхні залишається, високий (R_a=10…1,5 мкм) може зменшуватись до R_a =2,5…1,25 мкм.

Мікрогеометрія поліпшується, бо радіуси заокруглення заглибин (лунок від дробу) і виступів, що визначають опорну поверхню, збільшується.

Виключено перенос на оброблювану поверхню матеріалу робочих тіл у зв’язку із зниженням температури в зоні контакту та ізоляцією поверхневого шару деталі рідинною плівкою.

Але установки гідродробоструменевого зміцнення складні, дорого коштують та потребують більш високих витрат при експлуатації.

4.3.2 Вибір параметрів обробки дробом

Основні параметри процесу обробки дробом:

- робоче середовище (матеріал, характер та розмір робочих тіл, склад рідини);

- відстань від зрізу сопла до зміцнюваної поверхні, кут і діаметр факела дробу;

- швидкість руху робочого середовища;

- тривалість процесу.

Склад робочого середовища вибирають у відповідності з обраним методом обробки. Відстань від зрізу сопла до оброблюваної поверхні регулюють в межах можливостей установки, в залежності від матеріалу оброблюваної деталі і заданого ступеня зміцнення. Із зменшенням цієї відстані підвищується інтенсивність зміцнення, але одночасно зменшується діаметр факела дробу та площа оброблюваної поверхні.

Час зміцнення обраховують за формулою:

, (4.5)

де l — відстань від сопла до оброблюваної поверхні;

d — діаметр дробу;

Н — твердість оброблюваного матеріалу;

K_j — коефіцієнт, що враховує кількість ударів і, необхідних для заданого ступеня зміцнення (і ≥ 8);

V — швидкість дробу;

m — маса дробу, що викидається за одиницю часу;

g — кут між струменем дробу та оброблюваною поверхнею.

При гідродробоударному зміцненні в якості мастильно-охолоджуючої рідини рекомендується мінеральне трансформаторне масло, яке нетоксичне, пожежонебезпечне, має гарну текучість, мало впливає на режим при зміні температури, порівняно дешеве. Крім нього, можна також застосувати масло "Індустріальне-12”, приладове МВП та ін.

Гідродробоударне зміцнення здійснюється на гідравлічних дробоударних пристроях ежекторного типу з одно- або багатоканальними форсунками.

Для будь-яких способів дробоструменевої обробки на ступінь зміцнення впливає швидкість дробу при зустрічі з оброблюваною поверхнею; розмір, якість і витрати дробу; тривалість обробки; напрям струменю дробу — кут атаки; щільність, з якою дріб покриває оброблювану ділянку поверхні; відстань оброблюваної поверхні від місця вильоту дробу і фізико-механічні властивості металу оброблюваної деталі. Шорсткість поверхні до обробки дробом майже не впливає на ефективність зміцнення і звичайно не контролюється. Від перерахованих технологічних факторів залежать шорсткість поверхні, глибина зміцнення і залишкові напруження.

Дробоструменеве зміцнення дуже зручне для обробки деталей і інструмента складної конфігурації. Практично при цій обробці розміри деталей не змінюються і залишаються в межах поля допуску.

При пневмодробоструменевій обробці шорсткість поверхні залежить від режимів обробки, якості дробу і вихідного стану поверхні. Топографія зміцненої поверхні характеризується поєднанням слідів механічної обробки і численних мілких лунок, які утворюються від ударів дробинок, а також окремих рисок, викликаних впливом на поверхню розколотих дробинок з гострими краями. При цьому профіль мікронерівностей, що утворюються, стає більш пологим з відносно великим радіусом виступів і западин, він краще утримує масло, однак наявні риски можуть слугувати концентраторами напружень.

Погіршення мікрогеометрії через утворення лунок найбільш помітне при низькій вихідній шорсткості, R_a=0,16…0,30 мкм, і часі наклепу елементу поверхні 1…2 хв. При більш тривалому пневмодробоструменевому деформуванні шорсткість поверхні дещо зменшується, але не досягає вихідного значення. При підвищеній вихідній шорсткості (Ra=0,42…0,85) обробка дробом дещо знижує шорсткість. Дробометна обробка, як правило, підвищує шорсткість поверхні і стає помітним її окислення, викликане розігрівом.

Значне погіршення мікрогеометрії поверхні викликає дробометне зміцнення мікрокульками. Малий розмір кульок і висока швидкість їх польоту сприяє утворенню мікропрофілю поверхні з гострими виступами і западинами, які служать концентраторами напружень. Шорсткість поверхні при цьому підвищується і тим більша, чим вона нижча на вихідній поверхні.

Спосіб гідродробоструменевого зміцнення дозволяє для низки сталей отримати зниження вихідної шорсткості (таблиця 4.2).

Таблиця 4.2 - Зміна шорсткості поверхні при дробоударній обробці

Матеріал	Твердість HRC	Вихідна шорсткість Ra, мкм	Шорсткість після обробки Ra, мкм
			Пневмодро-боструменева обробка	Гідродробо-струменева обробка
BT3-1	27-36	0,32-0,16	2,5-1,25	0,63-0,16
18Х2Н4ВА	38-40	0,63-0,32	5-2,5	1,25-0,63
12Х2Н4А цементована	60-62	1,25-0,63	2,5-1,25	1,25-0,63
60С2Г	42-44	2,5-1,25	10-2,5	2,5-0,63
Д16Т	-	5-1,24	10-2,5	2,5-1,25
20ХНЗА цементована	58-60	5-2,5	5-2,5	2,5-1,25

Це пояснюється використанням більш якісного деформуючого тіла — полірованих, однакового діаметру куль, що летять з високою швидкістю у середовищі мінерального масла. Однак встановлено, що на пристроях гідродробоструменевого зміцнення на зразках, які мають малу шорсткість вихідної поверхні, за час зміцнення, менший 2 хв., збільшуються мікронерівності. Це пояснюється тим, що спочатку кульки, вдаряючись об зміцнювану поверхню, накладають на неї свої розрізнені відбитки. Зі збільшенням часу зміцнення відбитки накладаються один на один, що призводить до зниження глибини кожного з них і, отже, до зниження висоти нерівностей. У деталей з великою вихідною шорсткістю зниження висоти нерівностей спостерігається на початку зміцнення. Пояснюється це тим, що при перших же ударах в процесі деформації зменшується висота нерівностей, і енергія удару повністю йде на деформування, не розповсюджуючись на глибину металу. В подальшому поява окремих лунок на зміцнюваній поверхні із вже деформованими нерівностями призводить до деякого підвищення шорсткості. Найбільш доцільний час зміцнення з метою отримання мінімальної висоти нерівностей знаходиться в межах 3…6 хв. Подальше зміцнення не знижує висоту нерівностей.

Всі способи дробоструменевого зміцнення на оптимальних режимах підвищують мікротвердість поверхні й утворюють в поверхневому шарі стискаючі залишкові напруження. Так, при обробці загартованої до HRC 50…51 сталі 35Х2МФА встановлено суттєвий вплив способів дробоударної обробки на фізико-механічні характеристики поверхні і поверхневих шарів.

Якщо вихідна шорсткість поверхні шліфованих зразків R_a=0,72 мкм, то після дробометної і гідродробоударної обробки вона збільшується до R_a=0,16…2,5 мкм. Обробка поверхні такими способами викликає практично однаковий приріст поверхневої твердості й глибини зміцненого шару.

Після шліфування в поверхневому шарі спостерігаються розтягуючі залишкові напруження, максимальна величина яких сягає 320 МПа і знаходиться на глибині залягання 0,05 мм.

Дробометна і гідродробоударна обробки утворюють в поверхневому шарі близькі за величиною і глибиною залягання стискуючих залишкових напружень. Однак, необхідно відмітити, що при гідродробоударній обробці утворюються більш високі значення залишкових напружень на поверхні.

Максимальна величина ступеня зміцнення в основному визначається не стільки способом дробоструменевого зміцнення, скільки якостями зміцнюваного матеріалу. Спосіб зміцнення впливає переважно на глибину розповсюдження максимальних залишкових напружень і їх величину біля поверхні. Вирішальний вплив на розповсюдження залишкових напружень, а також глибину і ступінь зміцнення має діаметр дробу і швидкість його польоту.

Найбільшу твердість поверхні і практично граничну глибину зміцнення забезпечує обробка дробом поверхні протягом 4 хв. при Е=80 кДж/м². Більш тривалий час пластичного деформування викликає незначне збільшення глибини зміцненого шару. Деформаційне зміцнення супроводжується також зміною всього комплексу механічних якостей, підвищенням характеристик міцності при деякому зниженні показників пластичності.

Утворення дробоструменевим методом стискуючих залишкових напружень можливе і в твердих сплавах. Залишкові напруження першого роду, що виникають в результаті обробки твердих сплавів поверхневим пластичним деформуванням, впливають на їх міцність. Дослідження на контрольних пластинах із сплаву Т15К6 показали, що в результаті обробки дробом в поверхневому шарі твердого сплаву формуються значні стискуючі залишкові напруження, які розповсюджуються на глибину близько 0,1 мм.

В результаті зміцнення поверхневого шару і поліпшення форми мікрорельєфу після всіх способів дробоструменевої обробки, і, особливо, після гідродробоструменевої, дещо знижується інтенсивність зношування деталей машин. Всі способи дробометної обробки поліпшують характеристики міцності деталей і збільшують довговічність їх роботи в експлуатації. Так, зубчасті колеса, виготовлені із сталі марки 15ХГН2ТА, після зміцнення дробом підвищують свою довговічність на 15…20%.

Дробоструменева обробка знижує експлуатаційні поломки виробів з твердого сплаву. Так, у зміцнених різців у 1,8…2 рази зменшилась кількість руйнувань і дрібних викришувань. При цьому стійкість збільшилась у 1,1…1,8 рази. Дробоструменеву обробку можна рекомендувати тільки для нового інструмента, тобто застосувати її один раз.

Широко застосовується дробоструменева обробка для підвищення довговічності таких складних за формою деталей, як спіральні пружини. Середня міцність втомлення пружин, що пройшли дробоструменеву обробку з наступним відпуском, збільшується в 4 рази.

Дробоструменева обробка застосовується для багаторазового підвищення довговічності й надійності зварних вузлів різних машин, особливо тих, що працюють в умовах вібрації. Таке зміцнення рекомендується також для деталей з кольорових сплавів. Воно упереджує їх розтріскування, що в десятки разів підвищує довговічність їх роботи в корозійних середовищах. Перспективним є поєднання дробоструменевої обробки з іншими. Так, наприклад, за рахунок хіміко-термічної і дробоструменевої обробки колінчатих валів швидкісних двигунів межа їх витривалості збільшується на 60%.