Ультразвуковая финишная обработка с эффектом насыщения поверхностного слоя детали графитом Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 537.534, 620.179. 112.(075.8)

371-279-868

А.С. Носков, Р.А. Березняк УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ФИНИШНАЯ ОБРАБОТКА С ЭФФЕКТОМ НАСЫЩЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛИ ГРАФИТОМ

Приведена концептуальная модель термопереноса углерода в процессе финишной обработки ультразвуковым выглаживанием на формирование физикомеханических свойств поверхностного слоя деталей.

Ультразвуковое выглаживание, поверхностно-упрочняющая обработка, суперфинишная обработка

A.S. Noskov, R.A. Bereznyak ULTRASONIC FINISHING TREATMENT SATURATING THE EXTERIOR LAYER WITH CARBON

The article provides the conceptual model of carbon termotransporation during the finishing ultrasonic smoothing treatment, and its impact on the physical and mechanical properties of the surface layer of the component parts.

Ultrasound smoothing, surface-hardening treatment, super-finishing

Важнейшим фактором, определяющим долговечность деталей, является качество их поверхностного слоя. Качество контактирующих поверхностей деталей оказывает большое влияние на параметры трения и изнашивания, долговечность, уровень шума, КПД машин и механизмов, в состав которых они входят. В настоящее время наиболее перспективным методом улучшения качества поверхностей деталей является импульсная упрочняющая ультразвуковая обработка (УЗО).

М.С. Нерубай [5] показал, что введение в зону трения УЗК сопровождается структурнотермической активизацией контактных поверхностей, повышением их энергетического состояния, в результате чего возникает своеобразный эффект граничного трения где роль среды играет только поверхностный слой, находящийся в состоянии частичного трения.

Для обработки конструкционных сталей стандартное оборудование для УЗО дополнили системой смазывания поверхности детали смесью, состоящей из графита и машинного масла, обеспечивающей насыщение поверхности детали углеродом и стабильность формируемых в процессе обработки нанокристаллических структур с зернами 5^10 нм, что приведет к цементации поверхностных слоев обрабатываемых деталей и существенному повышению твердости и прочности, причем процесс выглаживания будет производиться одновременно с цементацией, что существенно повысит производительность обработки поверхностного слоя.

2. Истру мент

3. Трубочки по которым подается смесь масла машинного и графита.

Рис. 1. Схема процесса УЗО с насыщением поверхностного слоя графитом

Статическое усилие является определяющим параметром технологического режима УЗО, посредством которого можно управлять процессом упрочнения поверхностного слоя детали. Недостаточное статическое усилие не обеспечивает нужную деформацию поверхностного слоя [3] и нужной температуры для возникновения термопереноса углерода. Увеличивая параметр, можно улучшать параметры микрорельефа обрабатываемой поверхности, но до определенного предела. Чрезмерное увеличение статического усилия приводит не только к ухудшению шероховатости, но и к разрушению поверхностного слоя - перенаклепу.

УЗО основан на сообщении кинетической энергии рабочему телу с помощью ультразвукового поля, возникающего в замкнутом объеме при возбуждении в нем упругих механических колебаний ультразвуковой частоты.

Кинетическая энергия инструмента при ударе об обрабатываемую поверхность детали прямо пропорциональна его массе, квадрату амплитуды и частоты колебаний излучающей поверхности волновода. Величина амплитуды колебаний излучающей поверхности волновода зависит от подаваемой мощности [2].

При ударе об обрабатываемую поверхность инструмент проникает в неё на некоторую глубину Дсж. В результате поверхность обрабатываемой детали подвергается кратковременному воздействию сжимающей силой Рсж. При этом выполняется работа А, энергия которой расходуется на деформацию поверхности и выделение тепловой энергии. Основная часть тепловой энергии поглощается деталью, меньшая часть - инструментом, в результате чего создается разносность температур (grad T^0).

Движущей силой для процесса переноса углерода служит градиент соответствующей величины. Основные физические характеристики явления переноса: векторная (локальная) - плотность потока j и скалярная (интегральная) - поток J.

J = j(j,dS) = j JndS, (1)

S S

где S - площадь, через которую определяется поток.

Распределение углерода в детали и в смазке, которая в основном состоит из углерода, имеется неоднородность распределения концентрации С. Следовательно, grad C^0, значит возникает поток углерода, вектор плотности которого равен:

Jd = -DgradC, (2)

где D - коэффициент диффузии данного компонента в рассматриваемой среде.

Во внешнем источнике углерода (смазке) концентрация однородная, а значит в зоне диффузии устанавливается постоянный диффузионный поток вещества. Запишем выражение (2) в виде

( дС дС дС ^

jd =- D e-----------------+ ey---------+ e --------

Jd I x dx e dy z dz

(3)

Так как распространение вещества осуществляется только в одну сторону, значит преобразуем выражение (3) и получим

]хв (X,X) = -э• (4)

дх

Полученное выражение называется одномерной записью первого закона Фика.

Первый закон Фика отражает поток вещества, направленный в сторону уменьшения градиента концентрации:

J^ =-Ddc

dx

причем отношение — О = /Лс называется коэффициентом диффузии; х - ось, по которой направлен

/ 1х

поток диффундирующего компонента.

При условии, что концентрация в рассматриваемом объеме изменяется во времени:

= ±1 О*). (6)

1 ёх ёх

Это второй закон Фика.

Коэффициент диффузии - параметр, характеризующий скорость диффузии. Для металлов коэффициент диффузии изменяется по экспоненциальному закону:

О(Т) = В0ехр(—-^), (7)

А I

где Б0 - предэкспоненциальный или частотный множитель; Q - энергия активации: А - газовая постоянная; Т - абсолютная температура [1].

Q и Б0 связаны с физико-химическими свойствами металла, а также диффундирующих частиц. Экспоненциальный характер изменения коэффициента диффузии был установлен и теоретически обоснован Аррениусом [4].

Используя (6) для случая однородной диффузии, теплопроводности, интегральный поток за время Д1 вычисляется по формулам:

дС

Ыхв =— О—АБА

дх , (8)

дС

ЫхО = —к АБАх

дх

где к - коэффициент теплопроводности среды, ДБ - площадь поверхности, перпендикулярной потоку, через которую переносятся вещество и энергия.

О характере изменений физико-механических свойств поверхностного слоя (степени пластической деформации) в процессе обработки можно судить по коэффициенту упрочнения, который равен отношению твердости поверхностного слоя и основного металла:

_

к = _т» , (9)

учртт _ 0

где Нтах - микротвердость поверхностного слоя; Но - микротвердость основного металла [1].

Как выяснилось, коэффициент упрочнения периодически изменяется в течение всего процесса окончательной доводки.

Поток вещества, переносимого под воздействием активации поверхности пластическим деформированием:

] ,= о, (10)

ах

при условии изменения степени пластического деформирования во времени

1£ =1 (О, *). (,1)

а ах ах

Молекулярно-кинетическая теория связывает явление переноса с тепловым хаотическим движением частиц среды, выделившейся при совершении работы при ударе о поверхность детали выглаживателя. Молекулы углерода, переходящие из одного слоя в другой, переносят с собой большую скорость направленного движения, которая поддерживается постоянной на всей глубине проникновения УЗК в материале заготовки, что обусловливает сравнительно глубокое проникновение

углерода в поверхностные слои. Описанный эффект макроскопически проявляется в своеобразном трении между соседними слоями металла движущимися с неодинаковыми скоростями, что объясняет выкрашивание метала при перенаклепе [2].

Молекулы, переходящие из одного слоя в другой, переносят с собой большую энергию теплового движения:

{К) = 3кТ, (12)

где W - средняя кинетическая энергия вещества; Шо - масса молекулы; V2 - средняя квадратичная скорость; к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

Элементарным актом диффузии в твердых телах является перескок диффундирующего атома из одного положения устойчивого равновесия в соседнее, т.е. на межатомное расстояние ё. Отсюда средняя скорость диффузионного перемещения атомов равна

Ы = -, (13)

Т

где т - время.

Поэтому диффузии будет тем более быстрой, чем чаще происходят перескоки атомов через барьер, т.е. чем меньше время их оседлой жизни т.

Коэффициент диффузии в твердых телах крайне чувствителен к дефектам решетки, возникшим при нагреве, напряжениях, деформациях и других воздействиях. Увеличение числа дефектов (главном образом вакансий) облегчает перемещение в твердом теле и приводит к росту коэффициента диффузии. Для коэффициента диффузии в твердых телах характерна резкая (экспоненциальная) зависимость от температуры. Так, коэффициент диффузии в при повышении температуры от 20 до 300°С возрастает в 1014 раз [4].

В зависимости от размера частиц свободного углерода на поверхности детали изменяется скорость диффузирования углерода следующих видов диффузии:

- при уменьшении размера частиц углерода возрастают ЭДС и концентеционная диффузия, происходит «науглероживание поверхности» из-за возникновения молекулярных сил, которая связывает углерод на поверхности детали и углерода в структуре металла;

- при увеличении размера частиц углерода до определенного предела увеличивается бародиффузия, появляются вдавливание и внедрение углерода в структуру металла.

Кроме прямых процессов, существуют ещё перекрёстные процессы. Примером перекрёстного процесса может служить термодиффузия - перенос вещества не вследствие градиента концентрации (это была бы обычная диффузия), а вследствие градиента температуры. Термодиффузия создаёт градиент концентрации, что приводит к появлению обычной диффузии. Если разность температур в системе поддерживается постоянной, то устанавливается стационарное состояние, при котором потоки вещества, вызванные градиентами температуры и концентрации, взаимно уравновешиваются. Помимо этого, от разности температур появляется разность потенциалов, обусловленная разностью теплоемкости инструмента и детали, что приводит к появлению электродвижущей силы (ЭДС), которая создает дополнительный поток диффузирующе-го вещества. В момент удара выглаживателя о поверхность детали появляется бародиффузия, т.е. происходит вдавливание углерода в поверхность детали.

ЛИТЕРАТУРА

1. Виноградов А.Н. Комплексная модель термодеформационного переноса углерода в процессе финишной обработки шаров на шародоводочном оборудовании / А.Н. Виноградов // Вестник СГТУ. 2007. №3. Вып. 1. С. 52-61.

2. Житников Ю.З. Величина наклепа при ультразвуковом деформационном упрочнении / Ю.З. Житников, В.А. Волобуев // Автоматизация и современные технологии. 2001. № 6. С. 3-4.

3. Лесюк Е.А. Влияние режима ультразвуковой упрочняющей обработки на качество обрабатываемой поверхности / Е.А. Лесюк, В.П. Алехин, Ким Чанг Сик // Вестник машиностроения. 2008. № 9.

4. Курс физики: учеб.: в 2 т. / под ред. В.Н. Лозовского. 2-е изд. СПб.: Лань, 2001. Т. 2. 592 с.

5. Нерубай М. С. Физико-механические методы обработки / М. С. Нерубай. Куйбышев: КуАИ, 1979. 92 с.

Носков Александр Сергеевич -

аспирант кафедры «Технология машиностроения»

Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Березняк Рудольф Александрович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения»

Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Aleksandr S. Noskov -

Postgraduate,

Department of Engineering Technology, Gagarin Saratov State Technical University

Rudolf A. Bereznyak -

Ph. D., Associate Professor,

Department of Engineering Technology, Gagarin Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 25.10.11, принята к опубликованию 01.12.11