CC BY
76
МЕТАЛЛУРГИЯ. МЕТАЛЛООБРАБОТКА. МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.77
ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПЛАСТИЧЕСКОМУ ДЕФОРМИРОВАНИЮ ПРИ ИХ ОБРАБОТКЕ ДАВЛЕНИЕМ С НАЛОЖЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
Академик, докт. техн. наук, проф. КЛУБОВИЧ В. В., докт. техн. наук САКЕВИЧ В. Н., асп. ТОВПЕНЕЦ И. А.
ГНУ «Институт технической акустики НАН Беларуси»
Наиболее эффективно применение ультразвуковых колебаний в процессах обработки металлов давлением для изделий малых размеров (характерное сечение площадью менее 1-3 мм2), что связано с ограниченностью статических усилий, воспринимаемых ультразвуковой колебательной системой, при которых она может эффективно работать [1]. Малые размеры изделий усложняют и удорожают проведение натурных исследований с наложением ультразвуковых колебаний по изучению закономерностей формоизменения металлов; влияния различных схем напряженно-деформированного состояния на поведение металла; распределения напряжений и деформаций в очаге деформаций; новых технологических процессов. Любое экспериментальное исследование представляет собой наблюдение за каким-либо явлением и не позволяет составить суждения относительно протекания подобного явления в условиях, отличающихся от условий эксперимента. Только путем эксперимента, поставленного на основе теории подобия и принципа размерностей, можно получить закономерно обобщенные выводы и установить строгие границы их применения. Ценность теории подобия заключается в том, что она устанавливает методы постановки эксперимента и обработки его результатов при изучении вопросов, не поддающихся строгому математическому анализу. Также теория подобия с ее общими методическими указаниями является фундаментальной основой теории моделирования.
Цель моделирования процессов обработки металлов давлением с наложением ультразвуковых колебаний - раскрытие закономерностей протекания реального процесса путем замены изучения явлений в натуре на более простое и дешевое изучение аналогичных явлений на моделях большего масштаба в лабораторных условиях.
Основы учения о подобии были заложены И. Ньютоном, который изложил принципы механического, кинематического и динамического подобия. Развитые А. А. Ильюшиным положения теории моделирования для пластически формоизменяемых материалов исходят из законов подобия, в силу которых протекание процесса в модели происходит подобно протеканию процесса в натуре, если известно что:
1) модель геометрически подобна натуре;
2) граничные и начальные условия (условия однозначности) для величин, характеризующих процесс в модели, подобны таковым для аналогичных величин в натуре; 3) критерии подобия, составленные из величин, входящих в условия однозначности для модели, равны критериям подобия для натуры [2].
Для выбора модели необходима разработка рабочей гипотезы, т. е. научное предположение о механизмах воздействия ультразвуковых колебаний на процессы обработки металлов давлением и его вероятное объяснение.
Многочисленными экспериментами [3, 4] установлено, что воздействие ультразвуковых колебаний приводит к существенному снижению
статических сил, необходимых для пластического деформирования материала.
Описанный эффект снижения статического усилия пластического деформирования подтвержден многочисленными экспериментами [3-5]. Во всех экспериментах возбуждались колебания с обычными для ультразвуковых технологических систем частотами ~20-40 кГц и амплитудами —10-20 мкм. Колебания со столь высокими частотами и малыми амплитудами неразличимы невооруженным глазом, и у наблюдателя создается впечатление, что под влиянием ультразвука происходят размягчение материала, изменение его упругопластических свойств. Существенно, что такое размягчение наблюдается только во время действия колебаний и носит обратимый характер.
Достигнутое в отдельных экспериментах снижение статической нагрузки вплоть до нуля [3] послужило основанием для разработки ряда гипотез о механизмах воздействия ультразвука на материал. В одних гипотезах предполагаются влияние ультразвука на внутреннюю структуру материала, распределение и подвижность дислокаций. В других - повышение пластичности связывают с тепловыми эффектами, вызванными рассеянием энергии при возбуждении высокочастотных колебаний образца. Однако подобные гипотезы не позволяют с достаточной степенью приближения объяснить наблюдаемые эффекты, и хотя указанные причины нельзя отвергать категорически, в рассматриваемых процессах они могут играть, по-видимому, лишь второстепенную роль. Такое утверждение основано на том, что применяемые в экспериментах частоты порядка 10-10 Гц слишком далеки от диапазона 10-10 Гц, в котором возможно активное воздействие колебаний на кристаллическую решетку и дислокационные линии. Поэтому весьма вероятно, что наблюдаемое иногда при кристаллографических исследованиях образцов, подвергнутых ультразвуковому воздействию, изменение структуры материала и плотности дислокаций является не причиной аномального поведения материала в ультразвуковом поле, а следствием произведенной пластической деформации.
Относительно влияния тепловых эффектов отметим, что снижение статической силы наблюдается и в случае принудительного поддер-
жания постоянной комнатной температуры [6]. Поэтому в [5, 6] указано, что тепловой эффект не может рассматриваться в качестве основного фактора снижения предела текучести под влиянием ультразвука.
В [7] предлагается подход к описанию процесса пластического деформирования при действии высокочастотной вибрации, основанный на использовании реологических моделей материалов, успешно применяемых при исследованиях колебаний упругопластических тел и ударных явлений.
Проведенный анализ создает ясную картину экспериментально наблюдаемого эффекта «разупрочнения» материала при ультразвуковом воздействии, заключающегося в снижении статического усилия пластического деформирования. Суть этого явления связана с тем, что в каждом цикле нагружения кратковременно преодолевается предел текучести и возникает малая остаточная деформация, накапливающаяся от цикла к циклу. Если следить только за постоянной составляющей силы деформирования и медленным течением процесса, как это и делается в большинстве экспериментов, то создается впечатление о снижении предела текучести материала.
Наблюдаемое явление - это кажущееся разупрочнение материала, упругопластические свойства которого остаются неизменными. Такое поведение материала в условиях ультразвукового воздействия является проявлением известного эффекта вибрационного сглаживания нелинейностей [8-10]. Этот эффект давно используется в технике, хотя и при более низких частотах (в частности, сверление отверстий в бетонных стенах дрелью с перфоратором, разрушение твердой породы отбойным молотком). В пользу кажущегося локального снижения предела текучести говорят и эксперименты по осадке образцов до разрушения из различных труднодеформируемых материалов в обычных условиях и при наложении ультразвуковых колебаний, когда очаг деформации расположен либо в пучности смещений, либо в пучности напряжений. Например, в [5] показано, что при осадке образцов из САП-1, АЛ-10В, МА2 истинные напряжения при наложении ультразвуковых колебаний снижаются в 1,5 и более раз в зависимости от схемы подведения ультразвука,
а максимальная степень деформации до разрушения с наложением ультразвука имеет меньшее значение (примерно на 16 % и более), чем предельная степень деформации при открытом осаживании без ультразвука.
Таким образом, при моделировании какого-либо процесса обработки металлов давлением с наложением ультразвуковых колебаний можно считать, что фактические упругопластические свойства металла остаются неизменными в процессе обработки под действием ультразвука.
Второй аспект, на который следует обратить внимание, - это импульсное, или виброударное, деформирование при обработке металлов давлением с наложением ультразвуковых колебаний.
В качестве примера рассмотрим моделирование процесса свободного осаживания заготовки между двумя плоскопараллельными плитами с наложением ультразвуковых колебаний [5]. На рис. 1 показан свинцовый образец после деформации с наложением ультразвука [5], а на рис. 2 - пластилиновая модель после деформации несколькими ударами бойка по расплющенному торцу.
Рис. 1. Свинцовый образец Рис. 2. Пластилиновая после деформации с нало- модель
жением ультразвука
Протекание процесса свободного осаживания в модели произойдет подобно протеканию процесса в натуре, если модель будут нагружать импульсами.
Таким образом, при изучении различных процессов обработки металлов давлением с наложением ультразвуковых колебаний можно использовать все приемы экспериментальных исследований, применяемые при обычной обработке давлением, а при моделировании процессов необходимо помнить об импульсном нагружении.
При проектировании новых или улучшении существующих технологических процессов об-
работки металлов давлением с наложением ультразвуковых колебаний приходится тщательно анализировать закономерности формоизменения деформируемого тела. В подавляющем числе случаев аналитический анализ не может быть проведен полностью даже при современном состоянии математической и прикладной теории пластичности и наличии большого количества прикладных программ для численных расчетов. Поэтому при решении поставленных задач (например, по формообразованию режущего клина различной конфигурации) приходится применять экспериментальные методы исследования, в частности метод слоистых моделей [2]. Разноокрашенные, одинаковые по толщине и механическим свойствам пластилиновые слои (рис. 3) образуют сплошное строение податливой формоизменению и физическому резу пластилиновой модели, изготовленной по специально разработанной рецептуре и технологии [2]. Располагая после физического реза на плоскости искаженной деформацией, картиной размещения слоев, т. е. системой кривых разграничения соседних раз-ноокрашенных слоев, можно на основании исходной картины расположения этих слоев и закона постоянства сохранения объема рассчитать и построить систему других линий, перпендикулярных первой системе, и получить, таким образом, на плоскости реза сетку. Задача сводится к обработке этой сетки и последующим расчетам деформированного состояния пластилиновой модели. В дальнейшем можно говорить о сопоставлении напряженно-деформированного состояния пластилиновой модели и металлической детали исходя, с одной стороны, из геометрического подобия их формоизменения, а с другой - из известной по данным испытаний на простое растяжение диаграмме для металла.
Иначе говоря, в первом приближении этой диаграммой можно воспользоваться при определении аг- по значению для пластилина на том основании, что стадии конечного формоизменения для обоих материалов определяются по чисто геометрическим признакам, одинаковым как для металла, так и для пластилина. Методика расчета слоистых пластилиновых моделей приведена в [2].
Рис. 3. Разрез пластилиновой многослоистой заготовки, продеформированной на установке, моделирующей виб-роударную ультразвуковую ковку
В ГНУ «Институт технической акустики НАН Беларуси» в лаборатории ультразвуковой обработки разработана и изготовлена установка для моделирования процессов обработки металлов давлением с наложением ультразвуковых колебаний, а также компьютерная программа обработки фотоснимков пластилиновых слоистых моделей с целью тщательного анализа процесса деформации формоизменяемого тела и его напряженного состояния. Как примеры формообразования режущего клина показаны на рис. 3 разрезы пластилиновой многослоистой заготовки, продеформированной на установке, моделирующей ультразвуковую ковку, а на рис. 4 - обычной осадкой.
Следует обратить внимание на различие в затекании металла в клин при формоизменении заготовки в виброударном и обычном режимах.
Рис. 4. Разрез пластилиновой многослоистой заготовки, продеформированной обычной осадкой
Нами моделировались различные схемы наложения ультразвуковых колебаний и направление движения инструмента. Во всех схемах, которые показаны на рис. 5, взаимодействие инструмента и заготовки осуществлялось в виброударном режиме. Схема 1: бойки 2 вибрируют в противофазе относительно друг друга (схема направления вибраций а) и движутся синхронно в направлении Уь Схема 2: бойки 2 как единый инструмент вибрируют в направлении, перпендикулярном к формируемой кромке (схема направления вибраций Ь) и движутся в направлении Уь Схема 3: бойки 2 как единый инструмент вибрируют в направлении, параллельном к формируемой кромке (схема направления вибраций с) и движутся в направлении Уь Схема 4: бойки 2 как единый инструмент вибрируют в направлении, перпендикуляр-
ном к формируемой кромке (схема направления вибраций Ь) и движутся в направлении У2.
Ь
Рис. 5. Схемы виброударного деформирования пластилиновой заготовки: 1 - заготовка; 2 - инструмент; а, Ь и с - направления вибрации инструмента; V1 и У2 - направления движения инструмента
Во всех отмеченных на рис. 5 случаях формоизменения заготовки на клин изначально в сечении прямоугольной формы происходили по одинаковой схеме - с вогнутостью на проде-формированном торце (рис. 3).
В Ы В О Д
Моделирование процесса осадки с наложением ультразвуковых колебаний на образцах из пластилиновой многослойной заготовки позволяет установить характер течения металла и при ультразвуковой ковке заготовок из вязкопластичных материалов.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Асташев, В. К. Возбуждение и стабилизация резонансных колебаний ультразвуковых стержневых систем / В. К. Асташев, М. Е. Герц // Акустический журнал. - 1976. -Т. 22, № 2. - С. 192-200.
2. Смирнов-Аляев, Г. А. Сопротивление материалов пластическому деформированию / Г. А. Смирнов-Аляев. -3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1978. - 368 с.
3. Харитонович, М. В. Ультразвук в процессах пластической деформации металлов и сплавов: обзор оте-
чественной и зарубежной литературы 1955-1969 гг. / М. В. Харитонович, Г. И. Эскин. - ВИЛС, 1970. - 112 с.
4. Северденко, В. П. Ультразвук и пластичность / В. П. Северденко, В. В. Клубович, А. В. Степаненко. -Минск: Наука и техника, 1976. - 446 с.
5. Северденко, В. П. Обработка металлов давлением с ультразвуком / В. П. Северденко, В. В. Клубович, А. В. Степаненко. - Минск: Наука и техника, 1973. - 288 с.
6. Langenecker, B. Effects of Ultrasound on Deformation Characteristics of Metals / B. Langenecker // IEEE Transact. Sonics and Ultrasonics. - 1966. - V. SU-13, № 1. - P. 1-8.
7. Асташев, В. К. О влиянии высокочастотной вибрации на процессы пластической деформации / В. К. Асташев // Машиноведение. - 1983. - № 2. - С. 3-11.
8. Красовский, А. А. О вибрационном способе линеаризации некоторых нелинейных систем / А. А. Красовский // Автоматика и телемеханика. - 1948. - Т. 9, № 1. - С. 20-29.
9. Блехман, И. И. Метод прямого разделения движений в задачах о действии вибрации на нелинейные механические системы / И. И. Блехман // Изв. АН СССР. -1976. - № 6. - С. 13-27.
10. Вибрации в технике: справ. - Т. 2: Колебания нелинейных механических систем. - М.: Машиностроение, 1979. - 351 с.
Поступила 10.04.2006
УДК 621.793
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВНЕКАМЕРНОИ ПОДГОТОВКИ ИЗДЕЛИЙ перед нанесением ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ
Докт. хим. наук ПЕРЦОВСКИЙ А. Л.
ГУ «Республиканский научно-практический центр гигиены» Докт. техн. наук, проф. ИВАЩЕНКО С. А., асп. ГОЛУШКО В. М.
Белорусский национальный технический университет
Вакуумно-плазменные технологии формирования покрытий являются одними из прогрессивных, динамично развивающихся направлений по созданию поверхностных слоев изделий с особыми функциональными свойствами. Качество и эксплуатационные характеристики вакуумно-плазменных покрытий определяются состоянием исходной поверхности, материалом и технологией нанесения нанослоев покрытия. В свою очередь, технологический процесс нанесения покрытий в определенной
степени зависит от материала и физикомеханических свойств основы.
Исходная поверхность изделий для нанесения вакуумно-плазменных покрытий формируется в процессе предварительной внекамерной и окончательной внутрикамерной обработки. Для вакуумно-плазменных методов нанесения покрытий главная цель предварительной обработки - это удаление загрязнений, т. е. очистка поверхности основы. Наличие загрязнений на поверхности при вакуумизации приводит к на-
