CC BY
93
СТАНКИ И ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 621.7
Технология, оборудование ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов и контроль качества
А. Г. Палаев, А. И. Потапов, В. В. Максаров, Н. А. Палаев
Введение
Долговечность работы машин и приборов напрямую связана с качеством поверхностного слоя деталей, которое формируется в основном на финишных операциях механической обработки. Поверхность обработанной детали не является идеально ровной и геометрически правильной. Она отличается от номинальной (заданной чертежом) микро- и макрогеометри-ческими отклонениями. Эксплуатационные свойства деталей зависят от качества их сопрягающихся поверхностей и поверхностного слоя, которое определяется геометрическими и физико-механическими свойствами, а также взаимным расположением микронеровностей на сопрягаемых поверхностях. Как правило, причиной поломки деталей при эксплуатации являются процессы, протекающие именно в поверхностном слое: концентрация напряжений, образование и развитие микротрещин, изнашивание, окисление и т. д.
При работе деталей высота неровностей в период начального изнашивания трущихся поверхностей уменьшается на 65-75 %, что приводит к увеличению фактической поверхности их контакта, а следовательно, к снижению фактического давления и увеличению зазоров.
Распространенные в промышленности традиционные методы финишной обработки (шлифование, полирование и доводка с использованием абразивных материалов) часто не обеспечивают оптимальное качество поверхностного слоя. Получение качественной поверхности деталей из мягких металлов этими способами практически невозможно, поскольку для повышения чистоты поверхности приходится применять более мелкий абразивный порошок. Его частицы внедряются в обрабатываемую поверхность, и происходит шаржирование. Кроме того, после шлифования поверхности представляют собой совокупность микроследов абразивных зерен, имеют прижо-ги и микротрещины, которые не устраняются
последующим абразивным полированием. Эти дефекты поверхности являются концентраторами напряжений, и с них начинается разрушение поверхностного слоя деталей при работе, которое снижает надежность машин и приборов.
Ряд недостатков, присущих изложенным методам, удается исключить благодаря выбору в пользу таких методов поверхностного пластического деформирования, как алмазное выглаживание, обкатка шаром, роликом, дор-нованием и др. По своему характеру воздействия на поверхностный слой они являются статическими [6], сопровождаются большими нагрузками на инструмент и большим трением. В результате можно получить относительно невысокое качество поверхности.
Упрочнение металла в незакаленной стали происходит за счет структурных изменений и изменений структурных несовершенств (плотности, качества и взаимодействия дислокаций, количества вакансий и др.), дробления блоков и наведения микронапряжений. При упрочнении закаленных сталей дополнительно происходит частичное превращение остаточного аустенита в мартенсит и выделение дисперсных карбидных частиц. Поверхностная деформация приводит к образованию сдвигов в зернах, упругому искажению кристаллической решетки, изменению формы и размеров зерен. Интенсивность наклепа (упрочнения) тем выше, чем мягче сталь. На незакаленных сталях увеличение твердости составляет более 100 %, на закаленных — 20-30 % при глубине упрочненного слоя до 10 мм.
Вследствие поверхностной пластической деформации, происходящей при обкатке и алмазном выглаживании сталей со структурой отпущенного мартенсита, образуется наклепанный слой, характеризуемый повышенной твердостью. В этом слое формируются благоприятные остаточные сжимающие напряжения и происходят изменения субструктуры.
Более полное использование резерва повышения качества поверхностного слоя можно получить путем замены статического метода деформирования импульсным [5], когда инструменту передаются ультразвуковые колебания. Начало данному направлению обработки положено проф. А. И. Марковым [3] и проф. И. И. Мухано-вым [5], которые детально рассмотрели способы ультразвуковой финишной обработки. Благодаря использованию ультразвуковых продольных колебаний достигается наибольшее упрочнение поверхностного слоя (50-150 %) и шероховатость В.а = 0,1...0,05 мкм, а также формирование необходимых остаточных напряжений в поверхностном слое при малом статическом давлении на обрабатываемую поверхность.
В настоящей работе приведены экспериментальные исследования формирования шероховатости поверхности металла в процессе ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки (УЗУФО), рассмотрены некоторые результаты исследований и разработок, выполненных в Научно-инновационном центре ультразвуковых технологий Северо-Западного государственного заочного технического университета (НИЦУТ СЗТУ).
Описание технологии УЗУФО
На станке (токарном, строгальном и т. д.) нормального класса точности деталь предварительно протачивается, затем с помощью малогабаритной ультразвуковой приставки проводится УЗУФО. При ультразвуковом воздействии в поверхностном слое происходят сложные процессы: наложение знакопеременных нагрузок на статическую нагрузку, локальное поглощение ультразвуковой энергии, что в конечном итоге приводит к изменению течения металла и облегчению пластического деформирования, позволяет получить на поверхности малую шероховатость, упрочненный слой и сжимающие остаточные напряжения.
Проведена исследовательская экспериментальная работа по получению минимальной шероховатости обработки поверхности изделий методом УЗУФО на образцах стали 45. Объектом исследования были детали типа тела вращения, к поверхностям которых предъявляются высокие требования по шероховатости. На токарном станке нормального класса точности мод. 1А616 проточили 11 образцов диаметром 30 мм и длиной 100 мм. Режимы предварительной обработки (точения) образцов: число оборотов шпинделя п = 630 об/мин, подача й = 0,12 мм/об.
Затем на том же станке установили наш комплект ультразвукового оборудования (рис. 1) и обработали образцы способом УЗУФО при раз-
Рис. 1. Процесс УЗУФО на токарном станке в лаборатории НИЦУТ СЗТУ:
1 — ультразвуковой генератор; 2 — токарный станок; 3 — патрон токарного станка; 4 — обрабатываемое изделие, закрепленное в патроне токарного станка; 5 — ультразвуковая колебательная система в технологическом устройстве; 6 — резцедержатель токарного станка
Рис. 2. Широкое разнообразие деталей из сталей, цветных металлов и их сплавов, обработанных УЗУФО в НИЦУТ СЗТУ
личных усилиях давления индентора (рис. 2). Характеристики комплекта УЗУФО: акустическая мощность — 500 Вт, рабочая частота — 22 кГц, радиус индентора — 4 мм, усилие давления индентора 50 - 400 Н. Данные по режимам и результатам ультразвуковой обработки представлены в таблице. Шероховатость поверхности образцов замеряли на профилогра-фе фирмы Taylor Hobson precision (рис. 3). Режимы ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки: число оборотов шпинделя n = = 500 об/мин, подача S = 0,1 мм/об. Образцы: материал сталь 45, шероховатость поверхности Ra = 3,2 мкм.
Выводы
В результате проведенной работы выявлено, что шероховатость поверхности Ra, полученная способом УЗУФО, напрямую зависит
а)
мк.
41 3-
Я,
-ч......1:4 • !•.......У4Г
16,4
мкм -4
£ 1 0
т—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—г 16,8 17,2 17,6 18,0 18,4 18,8 19,2 19,6 20,0 20,4 мм
б)
мкм 1,51,00,50,0-0,5-1,0-1,5-2,0-2,5-
мкм -4 -3 -2 1 -0 —1 —2 —3 —4
~1 I П I I I I I I I I I I I I I I г Ю 33,4 33,8 34,2 34,6 35,0 35,4 35,8 36,2 36,6
№ эксперимента (образца) Усилие давления ин-дентора Полученная шероховатость Яа, мкм № экс-пери-мента (образца) Усилие давления ин-дентора Полученная шероховатость Яа, мкм
- 0 3,20 6 260 0,05
1 80 0,80 7 270 0,05
2 120 0,40 8 280 0,06
3 160 0,20 9 290 0,08
4 200 0,10 10 300 0,20
5 250 0,05 11 330 6,30
от усилия давления индентора Р. Наименьшая шероховатость Яа = 0,05 получена при усилии давления индентора на обрабатываемую поверхность 250 - 270 Н. При давлении больше 270 Н шероховатость обработанной поверхности начинает ухудшаться. Происходит перенаклеп и шелушение поверхностного слоя.
Рис. 3. Профилограмма шероховатости поверхности: а — исходная шероховатость поверхности после токарной обработки (Яа = 3,2 мкм); б — шероховатость поверхности после УЗУФО (Яа = 0,05 мкм)
Зависимость величин шероховатости Б,а от усилия давления индентора Р
Т-1-1-1-1-1-1-г
80 100120 160 200 250 300 330
Р,Н
Рис. 4. Зависимость величины шероховатости Яа от усилия давления индентора Р
Получены следующие результаты обработки большинства марок сталей, а также большинства марок цветных металлов и их сплавов:
• шероховатость поверхности Яа = 0,100-0,025 мкм (исходная Яа = 6,3-1,6 мкм);
• упрочнение поверхностного слоя на 6080 % на глубину до 1,0 мм;
• повышение усталостной прочности в 1,52,0 раза;
• повышение износостойкости в 2,0-3,5 раза;
• повышение коррозионной стойкости в 2-3 раза;
• улучшение точностных параметров в 1,21,4 раза.
Отзывы предприятий (ЗАО «Алроса», Мирный; завод «Брестгазоаппарат», Беларусь; Си-нарский трубный завод, Синара; НПП «Спецэлектромагнит», Комсомольск, Ивановская обл.), использующих разработанное нами оборудование для ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов, подтверждают результаты исследований.
Методом УЗУФО можно обрабатывать детали различных конструктивных форм: круглые, плоские, наружные, внутренние, торцевые, сферические, конические, галтели, канавки и т. д. Во многих случаях применение технологии УЗУФО позволяет исключить операцию шлифования, ручные доводочные операции абразивными шкурками и пастами, в некоторых случаях — термообработку, внутрицеховую транспортировку деталей, а также использовать меньшие производственные площади, улучшить экологию и повысить культуру производства.
Анализ полученных результатов УЗУФО металлов и результаты контроля качества состояния поверхностного слоя обработанных
мм
изделий показывают, что широкое использование этой технологии в машиностроении, судостроении, авиакосмической, автотракторной и других отраслях промышленности позволит значительно интенсифицировать производственные процессы, повысить качество и надежность изделий.
Литература
1. Палаев А. Г. Резание материалов с использованием ультразвука // Инструмент. 1996. № 3. С. 29-30.
2. Палаев А. Г., Петушко И. В., Дроздецкий Ю. Н. Новый станок УЗОС2-1,0/22 для ультразвуковой
размерной обработки // Металлообработка. 2005. № 1. С. 43-45.
3. Марков А. И., Озерова М. А. Применение ультразвука при алмазном выглаживании деталей // Вестник машиностроения. 1973. № 9. С. 57-61.
4. Хорбенко И. Г. Ультразвук в машиностроении. М.: Машиностроение, 1974. 280 с.
5. Муханов И. И., Голубев Ю. М. Упрочнение стальных деталей шариком, вибрирующим с ультразвуковой частотой // Вестник машиностроения. 1966. № 11. С. 52-53.
6. Соловьев Д. Л. Деформационное упрочнение способом статико-импульсного нагружения // Упрочняющие технологии и покрытия. 2005. № 10. С. 3-6.
7. Абрамов О. В. Воздействие мощного ультразвука на жидкие и твердые материалы. М.: Наука, 2000. 312 с.
Научно-инновационный центр ультразвуковых технологий Северо-Западного технического университета
Разрабатываем, изготавливаем и поставляем ультразвуковое оборудование следующего технологического назначения:
• для ультразвукового резания (точения) с малой шероховатостью (Ra = 0,2) и высокой точностью на станке нормального класса точности;
• для ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки, обеспечивающей:
• повышение класса чистоты обработки (Ra = 0,100...0,025 мкм);
• повышение поверхностной микротвердости на 50-100 % на глубину до 1 мм;
• снятие остаточных напряжений;
• улучшение поверхностной структуры металла;
• повышение усталостной прочности изделий;
• повышение износостойкости и коррозионной стойкости изделий;
• для ультразвуковой сварки металлов, пластмасс (сварка разнородных материалов без образования остаточных внутренних напряжений, сварка твердых и мягких пластмасс, прессовая и шовная сварка);
• для ультразвуковой мойки, очистки деталей с высокой производительностью, качеством, экологичностью;
• для ультразвуковой интенсификации процессов диспергирования, эмульгирования, полимеризации и т. д.
Выполняем научно-исследовательские работы в области ультразвука.
191186, Россия, Санкт-Петербург, Миллионная ул., д. 6, НИЦУТ СЗТУ.
Тел.: (812) 647-74-63; 687-73-65; моб. тел.: +7 (921) 961-27-42.
E-mail: alexpalaev@yandex.ru; сайт: www.ultrasonic.nwpi.ru
