Дорнование отверстий, труб, стволов

Дорнование отверстий, труб, стволов

Для решения конструкторских задач, связанных с необходимостью повысить твердость и уменьшить шероховатость поверхностного слоя металла применяется, специальный способ обработки. Он называется дорнование. С его помощью удаётся создать на поверхности металлической конструкции защитный слой, который предохраняет деталь от повышенных нагрузок и препятствует её разрушению. Такими нагрузками могут быть повышенные физические или ударные нагрузки, нарушения теплового режима (перегрев), химическое воздействие. Они приводят к разрушению или деформации поверхностного слоя, коррозии, ускоренному износу всей детали.

Зачем нужно

При эксплуатации каких-либо деталей, устройств или приборов различную нагрузку воспринимают в основном внешние слои. Тогда как внутренние слои сохраняют постоянную структуру, не деформируются. Правило распространяется на изделия из любых материалов — дерево, камень, керамика, металл.

Негативное воздействие может оказываться не только на поверхность предмета, но и какие-либо внутренние его элементы — отверстия, разрезы, выемки.

Механические повреждения

При сильном ударе может серьезно повредиться внешняя поверхность детали, что может привести к растрескиванию (могут повреждаться внутренние отверстия, различные выемки). Также внутренние элементы и поверхности могут повреждаться естественным путем. Простой пример: некоторые трубы используются для выбрасывания тяжелого промышленного мусора, который может оставлять на внутренней поверхности трубы небольшие повреждения и вмятины, что в конечном итоге приведет растрескиванию и даже разрушению трубы.

Коррозия

При контакте воды с некоторыми металлами может образовываться коррозия, которая негативно влияет на качество деталей. Также большое значение имеет длительность контакта — большинство современных сплавов хорошо переносят краткосрочное воздействие воды, тогда как при длительном контакте вода может вступить в химическую реакцию с металлом, что приведет к коррозии. Помимо неприятного внешнего вида коррозия негативно влияет на твердость материала, что делает металл хрупким.

Резкие перепады температур

Большинство современных сплавов плавятся при очень высоких температурах, однако нужно учитывать, что в случае резкого охлаждения или нагрева некоторые металлы становятся достаточно хрупкими. Также в большинстве случаев серьезно страдает лишь внешняя поверхность, тогда как внутренняя структура сохраняется. Особенно критично это в случае металлических деталей с отверстиями нестандартной формы (с резьбой, с различными запирающими элементами).

• Агрессивная внешняя среда. Многие химически активные вещества могут достаточно серьезно повреждать внешний слой металла при контакте. Примеры химикатов — это различные щелочи, кислоты, взрывчатые вещества. Также опасность того или иного соединения определяются степенью токсичности — одни химикаты лишь немного разъедают внешнюю оболочку, вторые создают трещины в материале и так далее.

Разновидности и технологические особенности

По технологическим особенностям выполнения дорнирование может быть свободным и несвободным. При свободном дорновании, которому преимущественно подвергаются бесшовные и электросварные трубы со стенками средней толщины, величина деформирования наружных поверхностей обрабатываемых изделий не оговаривается.

В зависимости от способа закрепления детали дорнование может быть свободным или в обоймах

Несвободному дорнованию преимущественно подвергаются внутренние отверстия в тонкостенных трубных изделиях. При выполнении такой технологической операции гарантируется отсутствие следующих последствий обработки:

• искривление оси обрабатываемой заготовки;
• снижение устойчивости заготовки в ее продольном направлении;
• наличие участков поверхности, выглаживание которых выполнено некачественно.

Чтобы обеспечить такое высокое качество обработки, при несвободном дорновании изделие закрепляют в специальных обоймах, отличающихся высокой жесткостью и упругостью. Нередко такую операцию совмещают с холодным редуцированием, в процессе которого диаметр обрабатываемого отверстия и инструмента уменьшаются под воздействием низких температур.

Варианты совмещенного процесса дорнования-редуцирования

4 Главные показатели процедуры пластичного деформирования заготовок

К основным параметрам этой обработки относят такие величины:

• относительный натяг;
• натяг;
• скорость;
• сила;
• относительная деформация.

Под натягом, как было сказано выше, понимают разницу между номинальными сечениями отверстия и дорна. Чересчур высокий натяг может стать причиной снижения конечного показателя шероховатости, что, конечно же, нежелательно. Поэтому к выбору величины натяга относятся максимально ответственно, принимая во внимание характеристики пластичности и начальной прочности деталей.

Относительный же натяг является параметром без размерности. Под ним подразумевают отношение величины обработанного либо начального отверстия к показателю натяга дорнирования.

Сила процесса обработки отверстий подразделяется на два компонента:

• радиальный;
• осевой.

Первая требуется для повышения сечения заготовки, которая подвергается деформированию. Данный компонент обеспечивает объемную обработку. А вот осевая сила удаляет мельчайшие неровности. Она нужна для работы трения.

Относительной деформацией называют такой показатель, который определяет реальную деформацию детали по ее наружному сечению. Выражается данный параметр в процентах.

Последний показатель процесса – сила дорнования. Существенного воздействия на величину износа рабочего инструмента и качество выполнения операции он не имеет.

Технологические схемы

Дорнирование, которое при наличии соответствующего оборудования и инструмента можно выполнить и в домашних условиях, осуществляется:

• методом растяжения;
• сжатием;
• путем комбинирования двух вышеуказанных методик.

Схемы дорнования отверстий

Выбор технологической схемы для дорнования влияет на величину осевой нагрузки, которой будет подвергаться обрабатываемое изделие. Если такая нагрузка будет слишком большой, она может стать причиной возникновения в обрабатываемой детали осевых напряжений.

При использовании схемы растяжения или сжатия нагрузка, создаваемая дорном, приходится на отдельные участки обрабатываемой поверхности, а комбинированный метод позволяет распределять нагрузку равномерно.

Схема деформации при обработке поверхности многозубым дорном

В последнее время объемное дорнирование все чаще выполняется по инновационным схемам, предполагающим использование пассивного, нейтрального и активного противонатяжения. Такие схемы, которые достаточно сложно реализовать в домашних условиях, предполагают применение специальных опор, выполняющих функции натяжных подвижных механизмов.

Чтобы в результате дорнования получить отверстие с меньшей шероховатостью стенок, необходимо выполнять такую технологическую операцию с более высоким натягом или провести предварительную механическую обработку отверстия.

Технологические схемы

Дорнирование, которое при наличии соответствующего оборудования и инструмента можно выполнить и в домашних условиях, осуществляется:

• методом растяжения;
• сжатием;
• путем комбинирования двух вышеуказанных методик.

Схемы дорнования отверстий

Выбор технологической схемы для дорнования влияет на величину осевой нагрузки, которой будет подвергаться обрабатываемое изделие. Если такая нагрузка будет слишком большой, она может стать причиной возникновения в обрабатываемой детали осевых напряжений.

При использовании схемы растяжения или сжатия нагрузка, создаваемая дорном, приходится на отдельные участки обрабатываемой поверхности, а комбинированный метод позволяет распределять нагрузку равномерно.

Схема деформации при обработке поверхности многозубым дорном

В последнее время объемное дорнирование все чаще выполняется по инновационным схемам, предполагающим использование пассивного, нейтрального и активного противонатяжения. Такие схемы, которые достаточно сложно реализовать в домашних условиях, предполагают применение специальных опор, выполняющих функции натяжных подвижных механизмов.

Чтобы в результате дорнования получить отверстие с меньшей шероховатостью стенок, необходимо выполнять такую технологическую операцию с более высоким натягом или провести предварительную механическую обработку отверстия.

Без снятия стружки можно восстанавливать детали из стали, чугуна, цветных металлов и сплавов, обладающих достаточной пластичностью. В процессе такой обработки кристаллы сплющиваются в направлении деформации. Образуется упорядоченная структура (текстура) волокнистого характера. Упрочнение металла в незакаленных сталях происходит за счет структурных изменений и минимизации несовершенств (рыхлость, дробление зерен, уменьшение дислокаций и т.д.).

При упрочнении закаленных сталей, кроме того, остаточный аустенит частично превращается в мартенсит. То есть происходит наклеп (изменение структуры и свойств металла), интенсивность которого тем выше, чем мягче сталь. В результате повышается долговечность и износостойкость поверхности.

Схемы основных и наиболее распространенных процессов обработки без снятия стружки.

Простейшие способы обработки без снятия стружки — калибрование и дорнование. Перемещение (проталкивание) с натягом закаленного стального инструмента (шарика или ролика) штоком пресса через обрабатываемое отверстие. Инструмент сглаживает микронеровности, упрочняет поверхность, повышает размерную точность.

Основным параметром оценки процесса является натяг, обусловленный разницей размеров калибрующего инструмента и отверстия, подлежащего калиброванию, размер калибрующего инструмента больше. Процесс может выполняться с большим или малым натягом. В зависимости от толщины стенок обрабатываемой детали, от диаметра обрабатываемого отверстия и физико-механических свойств материала детали.

При малом натяге зона пластической деформации распространяется на малую глубину, снижается шероховатость обработанной поверхности. Уменьшается погрешность формы и разброс размеров отверстий на 30-35 %.

Калибрование с малым натягом обычно используется при обработке толстостенных деталей, у которых соотношение толщины стенки и радиуса калибруемого отверстия более 0,5. Калибрование с большим натягом более известно как процесс раздачи, применяемый при восстановительном ремонте для увеличения наружного диаметра пустотелых деталей (втулок, поршневых пальцев и др.).

Примерные величины натяга при диаметре отверстия 10-120 мм следующие:

— 0,03-0,90 мм для стальных деталей.
— 0,05…0,20 мм для чугунных.
— 0,03…0,35 мм для деталей из цветных металлов и сплавов.

Калибрование деталей из стали и цветных сплавов выполняется при обильном охлаждении на скоростях:

— 2-6 м/мин для стальных деталей.
— 5-12 м/мин для чугунных.
— 2-6 м/мин для деталей из цветных сплавов.

В качестве охлаждающей жидкости применяется керосин, сульфофрезол и специальные смазки. В зависимости от обрабатываемого металла. Точность обработки в значительной степени зависит от жесткости детали и величины натяга. Она снижается при увеличении натяга. Толстостенные детали могут быть обработаны по 6-5-му квалитетам точности.

Шероховатость поверхности после обработки без снятия стружки зависит от:

— Жесткости детали и ее материала.
— От свойств материала инструмента.
— Состава охлаждающей жидкости.
— Скорости относительного перемещения инструмента и детали.

Калиброванием без снятия стружки можно уменьшить шероховатость на 2-4 класса.

Обкатывание и раскатывание поверхностей без снятия стружки.

Обкатывание и раскатывание поверхностей без снятия стружки представляют собой процессы устранения микронеровностей на обрабатываемой поверхности с помощью твердосплавных или закаленных роликов (шариков). Давление осуществляется только в зоне контакта инструмента с деталью. За счет вращения детали и поступательного движения инструмента пятно контакта перемещается вдоль обрабатываемой поверхности.

Для уменьшения трения и исключения задиров в зону обработки подается машинное масло. Наиболее совершенным является обкатывание (раскатывание) несколькими роликами. Наименее производительно обкатывание шариком.

Инструмент для обкатывания и раскатывания устанавливается в резцедержатель токарного станка, доводится до соприкосновения с обрабатываемой поверхностью, а затем перемещается на 0,5-0,8 мм для создания натяга. Скорость обкатывания (раскатывания) принимается в зависимости от условий обработки в пределах 30-150 м/мин, давление обкатника на обрабатываемую поверхность — в зависимости от размеров и физико-механических свойств детали. В пределах от нескольких килограммов до нескольких тонн.

Инструмент для обкатывания и раскатывания поверхностей без снятия стружки.

Подача инструмента устанавливается в зависимости от конструкции инструмента и требований к шероховатости поверхности. Например, при обработке детали роликами подача принимается равной 0,3 ширины ролика. Ввиду того, что процесс обкатывания (раскатывания) осуществляется только в границах гребешков микронеровностей поверхности, он не очень эффективно (на 5-10%) повышает точность обработки.

Практически установлено, что этот процесс можно эффективно использовать в тех случаях, когда поверхность предварительно обработана по 6—10-му квалитетам точности. Кроме того, этот вид обработки малопригоден для деталей, подвергающихся в дальнейшем термической обработке, после которой упрочненная поверхность приходит в исходное состояние.

Алмазное выглаживание поверхностей без снятия стружки.

Алмазное выглаживание поверхностей без снятия стружки обеспечивает смятие гребешков микронеровностей и появление наклепа на обрабатываемой поверхности путем скольжения по ней алмазного инструмента под определенным давлением. Полученные поверхности обладают высокой износоустойчивостью при образовании пар трения и высокой усталостной прочностью.

Схемы выглаживания поверхностей без снятия стружки с поступательным и возвратно-поступательным движением инструмента.

При обычном выглаживании с поступательным движением инструмента после каждого оборота обрабатываемой детали след от инструмента перемещается в осевом направлении на величину подачи S. Так как ширина канавки от инструмента больше подачи, то происходит многократное перекрытие следов от инструмента. В случае выглаживания с наложением на инструмент возвратно-поступательных перемещений на поверхности детали образуется синусоидальный след.

Такой вид обработки, называемый вибрационным выглаживанием, повышает износоустойчивость деталей за счет неглубоких канавок на обработанной поверхности, в которых размещается смазка. Изменяя амплитуду и частоту колебаний вибратора, можно получить требуемый рисунок на обработанной поверхности.

Плотность расположения следов сетки на поверхности детали зависит от соотношения к = n/S, где п — число двойных ходов инструмента; S — подача. С увеличением к плотность следов увеличивается. Соотношение числа двойных ходов инструмента и частоты вращения детали влияет на совпадение следов по фазе. Обеспечить совпадение следов по фазе или направление их навстречу друг другу можно только при целых значениях этого соотношения.

Следы на поверхности после вибрационного выглаживания без снятия стружки.

Алмазное выглаживание поверхностей без снятия стружки применяется при обработке деталей из сталей средней твердости и цветных сплавов, предварительно обработанных шлифованием, тонким точением и другими методами, обеспечивающими заданную точность. Исходная шероховатость поверхности детали не должна превышать Ra 2,5-3,0 мкм. Можно обрабатывать также детали из закаленных сталей с исходной шероховатостью Ra 0,8-1,2 мкм.

На точность обработки алмазное выглаживание без снятия стружки влияет слабо. Шероховатость поверхности в результате процесса может улучшиться на 2-3 класса с доведением ее до Ra 0,160-0,025 мкм. На качество поверхности влияет в основном усилие выглаживания и подача. Микротвердость поверхности повышается на 50-60 %. Скорость алмазного выглаживания без снятия стружки принимается в зависимости от обрабатываемого материала:

— Для цветных сплавов и мягких сталей — в пределах 10-80 м/мин.
— Для закаленных сталей — 200-250 м/мин.

При работе в этом диапазоне скоростей необходима обильная подача охлаждающей жидкости в зону выглаживания. При обработке черных металлов применяют масло индустриальное И-20А, цветных сплавов — керосин. Алмазный инструмент представляет собой кристаллический алмаз, закрепленный в специальной державке и отшлифованный по сфере радиусом 0,6-4,0 мм (выбирают в зависимости от твердости обрабатываемого материала):

— Для обработки деталей из мягких сталей и цветных сплавов — в пределах 2,5-3,5 мм.
— Для сталей средней твердости — 1,5-2,5 мм.
— А для закаленных сталей (твердостью не ниже 60 HRC) — 1,0-1,5 мм.

Силу прижима алмазного инструмента к обрабатываемой детали также выбирают в зависимости от обрабатываемого материала:

— Для материалов средней твердости не более 100-150 Н.
— Для закаленных сталей — не более 200-250 Н.

Увеличение силы выглаживания выше указанных пределов снижает стойкость инструмента и может вызвать ухудшение качества поверхности. На качество поверхности оказывает влияние и подача. С изменением ее от 0,02 до 0,10 мм/об шероховатость поверхности увеличивается, при этом остаточная пластическая деформация уменьшается. Наименьшее значение шероховатости достигается при подачах 0,02-0,04 мм/об.

Устройство для вибрационного выглаживания без снятия стружки.

Для вибрационного выглаживания используются устройства с виброприводом для создания возвратно-поступательного перемещения инструмента. Вращательное движение от электродвигателя преобразуется в возвратно-поступательное движение штанги с помощью эксцентрика на валу электродвигателя. На штанге закреплен инструмент с цангой и гайкой.

Штанга перемещается вместе с втулкой, к которой крепится корпус с силовой пружиной и шкалой. Устройство крепится на суппорте станка с помощью угольника. Выглаживающая сила задается натягом, в результате которого сила предварительного сжатия пружины передается на инструмент.

Центробежно-ударный наклеп поверхностей без снятия стружки.

Центробежно-ударный наклеп поверхностей без снятия стружки позволяет уменьшить шероховатость поверхности на 1-2 класса и повысить твердость на 30-80 % с образованием на поверхности напряжений сжатия до 400-800 МПа. Суть процесса заключается в том, что шарики или ролики, находящиеся в радиальных пазах быстро вращающегося диска, наносят многочисленные удары по обрабатываемой поверхности, деформируя ее на определенную глубину.

Шарики могут перемещаться в радиальном направлении и после нанесения удара отскакивают от поверхности детали. Эффективность наклепа во многом зависит от величины натяга инструмента (прямо пропорционально). Однако шероховатость обработанной поверхности при увеличении натяга ухудшается.

Этот способ обработки без снятия стружки можно использовать для упрочнения поверхностей вращения, плоских и фасонных поверхностей деталей из черных и цветных металлов и их сплавов. Предварительной обработкой может быть шлифование, чистое точение и другие методы, обеспечивающие шероховатость Ra 5,00-0,63 мкм.

Скорость при центробежно-ударном наклепе без снятия стружки выбирается исходя из обрабатываемого металла и его физико-механических свойств. Окружная скорость инструмента составляет 8-40 м/с, детали — 0,5-1,5 м/с. Натяг выбирается в пределах 0,010-0,025 мм, подача инструмента — 0,02-0,20 мм/об. В качестве охлаждающей жидкости используются керосин и машинное масло.

По материалам книги «Технологические процессы ремонта автомобилей».
Виноградов В. М.

Разновидности

Дорнирование свободное не подходит для таких заготовок, как, например, трубы с тонкими стенками ствола. Здесь применяют несвободное дорнирование, которое позволяет избежать следующих последствий:

• осевого смещения заготовки;
• понижения устойчивости вдоль направления ствола;
• выглаживания металла с недостаточным качеством.

Для реализации операции несвободного дорнирования деталь перед прохождением дорна закрепляют в специальных обоймах жесткой и упругой конструкции.

Использование любого из способов дорнирования требует применения смазочных материалов, чтобы уменьшить трение, ускорить процесс обработки, избежать порчи заготовки или инструмента.

Объемное и поверхностное дорнование

Объемное дорнирование ввиду своей эффективности призвано заменять менее эффективный метод, когда заготовки подвергают растачиванию черновому. Применяют объемную деформацию для обработки любых типов труб, цилиндров с длинным стволом, при этом прямолинейность изделий сохраняется в нужных границах.

Применение поверхностного дорнирования позволяет получить в канале ствола шероховатость в пределах 0.32–0.04 микрон. Основное назначение метода – упрочнить поверхностный слой и, возможно, избежать сложных технологических приемов: развертывания, шлифования, выглаживания и хонингования металла.

Пластическое деформирование и калибровка

Метод ударных импульсов

Способ, при котором подача инструмента дорна по каналу отверстия ствола проходит не в постоянном поступательном режиме, а толчками с одинаковой частотой, называется методом ударных импульсов. Такой процесс очень эффективен, так как снижает нагрузку на инструмент, на канал и позволяет достичь максимальной точности обработки.

Специалисты-практики в области обработки металла и все, кто имеет непосредственный опыт проведения процесса дорнирования отверстий, поддержите тему в комментариях. Для начинающих умельцев ваши знания имеют неоценимое значение!