CC BY
25
УДК 621.923
Е. С. КИСЕЛЁВ, 3. В. СТЕПЧЕВА
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МОДУЛЯЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ПРИ АЛМАЗНОМ ВЫГЛАЖИВАНИИ ЗАГОТОВОК
Проанализированы и экспериментально проверены возможности амплитудной и амплитудно-частотной модуляции ультразвуковых колебаний для обеспечения эффективного упрочнения при алмазном выглаживании заготовок.
Ключевые слова: упрочнение заготовок, ультразвуковые колебания.
Существенным резервом повышения качества и конкурентоспособности продукции современного машиностроения становится конструирование свойств поверхностных слоев заготовок, обеспечивающих заданные эксплуатационные характеристики деталей уже в процессе механической обработки заготовок (в особенности на заключительных операциях) за счёт использования тех или иных технологических приёмов.
Формирование поверхностного слоя при ультразвуковом (УЗ) алмазном выглаживании (АВ) происходит вследствие пластического деформирования поверхностных слоев заготовки. Пластическая деформация кристалла начинается с активации поверхностных и объёмных источников дислокаций. Винтовые сегменты дислокаций в результате двойного поперечного скольжения (ДПС) переходят в соседние параллельные плоскости и образуют новые источники дислокаций (источники Франка-Рида) [1,3].
Применение амплитудно-модулированных УЗК позволяет интенсифицировать процесс размножения дислокаций методом ДПС. С увеличением амплитуды УЗК растёт площадь областей возможного старта дислокаций, что в свою очередь, увеличивает вероятность образования источников Франка-Рида и способствует увеличению их плотности [2]. Однако эффективность этого процесса ограничена длиной свободного пробега дислокаций в кристалле и зависит как от размеров его зерна, так и от времени движения дислокаций в УЗ-поле, т. е. от периода колебаний.
Варьирование частотой и амплитудой УЗК в зависимости от микроструктуры обрабатываемого материала открывает возможность опре-
Е. С. Киселёв, 3. В. Степчева, 2007
делённым образом воздействовать на процесс образования дислокаций и упрочнения в целом.
Авторы исследовали влияние параметров УЗ-амплитудной и амплитудно-частотной модуляции на касательную (Pz) и радиальную (Ру) составляющие силы выглаживания, а также на среднее арифметическое отклонение профиля поверхности (Ra) при обработке заготовок из быстрорежущей стали аустенитного класса Р18, коррозионно-стойкой стали фер-ритного класса 95X18ШТ и конструкционной стали перлитного класса 40Х, имеющих различную микроструктуру и относящихся к разным группам обрабатываемости.
Эксперименты проводили на установке, смонтированной на базе токарно-винторезного станка УТ16-ПМ, оснащённой универсальным динамометром УДМ-100, усилителем 8АНЧ-26М и светолучевым осциллографом «Нева-МТ-1». УЗК на алмазный выглажива-тель накладывали с помощью генератора «Техма-2» {f = 18,6 кГц), оборудованного сменными электронными платами для создания модулированного по амплитуде и частоте выходного сигнала: глубина модуляции 80 и 25 %; частота первого импульса 18,6 и 20 кГц; частота второго импульса при амплитудно-частотной модуляции - 12,5 кГц; частота следования импульсов - 1000 Гц.
Образцы из сталей Р18 и 40Х размерами Ш
60x160 мм и Ш 52x160 мм и из стали 95X18ШТ - Ш40х220 мм устанавливали в центры станка. В качестве деформирующего инструмента использовали алмазные выглаживате-ли с радиусом рабочей части 1,5 и 3 мм. Окружную скорость заготовок из сталей 95Х18ШТ, Р18 и 40Х варьировали соответст-
венио в пределах 25...31, 37...46 и 32...40 м/мин. Продольную подачу выглаживания всех перечисленных материалов изменяли от 0,036 мм/об до 0,064 мм/об, соответственно нагрузку на алмазный выглаживатель Ру -от 100 до 200 Н. В качестве СОЖ использовали масло индустриальное И-20А.
Применение УЗК позволяет уменьшить параметр шероховатости Яа обработанной поверхности на 45 % по сравнению с обычным АВ (рис. I, а). Использование же амплитудной и амплитудно-частотной модуляции приводит, наоборот, к некоторому — на 20...30 % — увеличению Ра. Это связано с увеличением энергии микроударов алмазного выглажива-теля вследствие сообщения ему модулированных по амплитуде колебаний. Часть этой энергии расходуется на упругое деформирование поверхностного слоя, что, как известно [3], приводит к локальному изменению его объёма.
Любопытно, что при обработке с меньшей подачей 0,032 мм/об модулирование
9
H
Ру ' 6
5 0,036 0,046 мм/об 0,066
Рис. 1. Зависимость высоты микронеровностей Ra
(а) и силы выглаживания Ру (б) от подачи S при обработке заготовок из быстрорежущей стали Р18: У= 37 м/мин, Р = 200 Н, радиус алмазного выгла-живателя R = 1,5 мм; 1 - без УЗК, 2-е УЗК, 3-е амплитудной модуляцией УЗК, 4-е амплитудно-
частотной модуляцией УЗК
УЗК по амплитуде и частоте позволяет достичь более меньших значений Ra по сравнению с амплитудной модуляцией. При дальнейшем увеличении подачи до 0,066 мм/об, напротив, более низкие значения микронеровностей поверхности обеспечиваются модулированием по амплитуде. На наш взгляд, это объясняется увеличением напряжений внутреннего трения, вызванного сопротивлением движению дислокаций, которое увеличивается пропорционально изменению скорости дислокаций, обусловленной увеличением подачи, что снижает вероятность их выхода в соседние плоскости скольжения. Этот эффект, впрочем, не отмечен при обработке заготовок из других сталей. По-видимому, это объясняется состоянием исходной микроструктуры аустенитной стали Р18 с большим количеством точечных дефектов в кристаллической решетке.
В целом следует отметить, что амплитудно-частотная модуляция приводит к увеличению Ra на 10... 15 % при выглаживании заготовок из материалов 1 и 2 групп обрабатываемости по сравнению с амплитудной модуляцией. При выглаживании заготовок из материалов 3-й группы обрабатываемости на малых подачах лучшие результаты показывает амплитудно-частотная модуляция, при более высоких - амплитудная.
Процесс АВ на малых подачах осуществляется с большими на 8... 10% значениями касательной составляющей силы выглаживания Pz (рис. 2, б, г, е) при амплитудной модуляции, а следовательно, обеспечивает большую микротвёрдость поверхностного слоя. Причем замечено, что при обработке заготовок из сталей Р18 и 40Х величины Pz при амплитудной и амплитудно-частотной модуляции различаются мало (порядка 5 %) (рис. 2, б, е), а при обработке заготовок из стали 95X18ШТ - почти в 2 раза (рис. 2,
г).
3
1 2
б)
U5
мм
3
R
a
1,5
MM
ZjU
R-
MM
R
в
A
Рл
где
Рис. 2. Влияние вида модуляции на параметр шероховатости Ra и силу Pz в зависимости от условий обработки (Ру, R) заготовок из быстрорежущей стали Р18 (а, б), коррозионно-стойкой стали 95X18ШТ (в, г) и конструкционной стали 40Х (д, е): 1 - амплитудная модуляция; 2 - амплитудно-частотная модуляция
Я
100
4500
H
3500
3000
0
0,048 0,096 0,144 мм 0,24
h —
Рис. 3. Влияние вида модуляции на распределение микротвёрдости Нтобработанной поверхности заготовок из стали Р18 по глубине поверхностного слоя И: 0,036 мм/об, У= 46 об/мин, Ру = 200 Н, /? = 3 мм; I - без модуляции, 2 -амплитудная модуляция; 3 - амплитудно-частотная модуляция УЗК
При изменении силы Ру от 200 до 250 Н и радиуса алмазного выглаживателя Я от 1,5 до 3 мм эффективность амплитудной и частотной модуляции практически одинакова
(рис. 2, б, г, е). Это объясняется тем, что, несмотря на некоторое увеличение силы Ру, контактное давление в зоне деформации меняется незначительно. Увеличение радиуса выглаживателя, а значит и площади контакта инструмента с обрабатываемой заготовкой, ведет к снижению поверхностной плотности силового воздействия
УЗ-волны, что, как показывают результаты экспериментов, вообще может нивелировать эффект модуляции
Исследованиями установлено, что модулированные ультразвуковые сигналы способствуют повышению поверхностной микротвёрдости заготовок (особенно на глубине до 120 мкм) (рис. 3).
Таким образом, анализ результатов экспериментальных исследований подтвердил, что эффективность модуляции УЗК зависит от микроструктуры обрабатываемого материала.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ландау, Л. Д. Теоретическая физика : учеб. пособие для вузов. В 10 т. Т. VII. Теория упругости / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц.-5-е изд. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 264 с.
2. Тяпунина, Н. А. Поперечное скольжение дислокации в ультразвуковом поле и влияние на этот процесс амплитуды и частоты ультразвука, ориентации образца и коэффициента динамической вязкости / Н. А. Тяпунина, Г. В. Бушуева и др.//Физика твёрдого тела. - 2003. - Т. 45. -Вып. 5.-318 с.
3. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / под ред. И. П. Голяминой. - М. : Советская энциклопедия, 1979.-400 с.
Киселёв Евгений Степанович, доктор тех-нических паук, профессор кафедры «Техно-логия машиностроения» Ульяновского государственного технического университета.
Степчева Зоя Валерьевна, аспирантка кафедры «Технология машиностроения» Ульяновского государственного техни ческого университета, занимается исследованиями методов повышения эффективности ультразвукового алмазного выглалсивапия.
УДК 621.777
В. Н. КОКОРИН, Ю. А. ТИТОВ, А. Ю. ТИТОВ
СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ШТАМПОВ
Рассматриваются вопросы повышения стойкости штамповой оснастки с использованием электромеханической обработки (ЭМО).
Ключевые слова: штамповая оснастка, повышение стойкости деталей штампа.
Повышенные требования к качеству прессового инструмента обусловливают необходимость применения новых методов повышения стойкости рабочих деталей штампов, основанных на регламентации структурно-фазовых характеристик в объёме и поверхностном слое прессового инструмента.
Поверхностная ЭМО с использованием тока промышленной частоты (50 Гц) позволяет существенно повысить стойкость широкого круга ответственных деталей штампов.
В зависимости от служебного назначения штампа и условий его эксплуатации ЭМО используется для закалки, отделочно-упроч-няющей обработки и восстановления различных деталей.
Основное назначение электромеханической закалки (рис. 1) — повышение износостойкости и усталостной прочности деталей; ликвидация коробления, обезуглероживания и окисления поверхностного слоя.
Обработке подвергаются детали из сталей 20, 35, 40Х, 45, 55ПП, 60Г2С, 9ХС, У7...У13А, ХВГ, 7ХНМ, ШХ15 и др. Глубина закалки определяется техническими требованиями и может составлять 0,5...4 мм при микротвёрдости поверхностного слоя НУ 6000...8000 МПа (.ИКС 52...68). Припуск под последующую окончательную обработку шлифованием или точением назначается в пределах 0,05...0,2 мм.
© В. Н. Кокорин, Ю. А. Титов, А. Ю. Титов, 2007
Рис. 1. Принципиальная схема ЭМО:1 - инструмент; 2 - обрабатываемая поверхность; 3 - кабель токо-подводящий; 4 - установка ЭМО
Область применения электромеханической закалки: закалка посадочных мест валов и отверстий под подшипники качения или скольжения; участков валов под ступицы шкивов и зубчатых колес; закалка тонкостенных, маложёстких деталей из высококачественных сталей (втулки, стаканы, детали типа трубы) в единичном и мелкосерийном (ремонтном) производстве.
Отделочно-упрочняющая электромеханическая обработка поверхностей позволяет в единой технологической схеме производить поверхностную закалку и окончательную обработку (Яа = = 1,25...0,63 мкм), а также формировать текстуру волокон металла, вытянутую вдоль профиля опасного сечения. Наибольшее применение этот вид ЭМО получил при обработке (рис. 2) гладких цилиндрических поверхностей галтелей, канавок, выточек валов и осей.
