CC BY
37
УДК 621.822
А.В. Королёв, М.Г. Бабенко, С.В. Слесарев
УЛЬТРАЗВУКОВОЕ СНЯТИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА КАВИТАЦИИ
Рассмотрены теоретические положения, связанные с процессами ультразвуковой обработки поверхности, возникновения кавитационных процессов, и представлены результаты исследования по снятию остаточных напряжений в кольцах подшипников.
Ультразвук, остаточные напряжения, кавитация, подшипник.
A.V. Korolyov, M. G. Babenko, S.V. Slesarev
ULTRASONIC REMOVAL OF RESIDUAL STRESS USING THE CAVITATION METHOD EFFECT
The article considers the theoretical positions connected with processes of ultrasonic processing of a surface, occurrence of cavitation processes and results of research of removal of residual pressure in rings of bearings.
Ultrasound, afterstrain, cavitation, bearing.
Как показано многочисленными исследованиями, остаточные напряжения в деталях машин оказывают влияние на их эксплуатационные свойства. При механической обработке деталей машин, в частности, шлифованием, остаточные напряжения возникают в поверхностном слое и достигают значительных величин. Причиной их появления служит одновременное действие следующих основных факторов: неравномерной пластической деформации поверхностного слоя, локализованного нагрева вследствие деформации и трения, а также вторичные фазовые превращения. Эти факторы действуют в противоположных направлениях, но, как правило, приводят к возникновению растягивающих остаточных напряжений, снижающих эксплуатационные свойства деталей машин.
В вопросах уменьшения остаточных напряжений наиболее эффективно применение ультразвуковых колебаний с использованием эффекта кавитации.
При ультразвуковой обработке волновой процесс может быть представлен в виде волнового уравнения, которое в общем виде описывает процесс распространения упругих возмущений в среде. Волновое уравнение для продольной плоской волны, распространяющейся в среде вдоль оси х:
4=Л. (1)
дх2 dx2 W
где - смещение колеблющейся частицы, м; х - время, с; х - расстояние от источника колебаний, м; с - скорость звука в среде, м/с.
Основными показателями, характеризующими ультразвуковое поле, являются: колебательное смещение частиц, колебательная скорость V, звуковое давлениерзв. Все эти величины связаны друг с другом: задание пространственно-временного закона изменения одной из них полностью определяет пространственно-временные зависимости всех остальных.
Скорость частиц можно определить по формуле:
v = —= -cosq(t-yc). (2)
Распространение в упругой среде продольных звуковых волн связано с объемной деформацией. Колебания частиц среды с периодически меняющимся ускорением приводят к возникновению в среде меняющегося во времени и пространстве избыточного давления рзв = -а, где а - упругое напряжение (а > 0 - сжимающее; а < 0 - растягивающее).
Согласно закону Гука, при деформациях среды s << 1 звуковое давление
а = -о • Е, m ■ p • c • cos ш(т - у/),
Рзв =-а= р^ ^0S °(t-//). (3)
При отсутствии затухания энергия ультразвуковой волны представляет собой сумму потенциальной и кинетической энергии колеблющихся частиц. Кинетическая энергия в единице объема с учетом уравнения (3) равна
wk,cp = p-v/1 =[®2-^ cos2 ш(т-x
/2.
2
Потенциальная энергия имеет то же значение, что и кинетическая, полная средняя энергия в единице объема среды составляет
Езв = Р^/2 = р- ^ '®2 /2 . (4)
Интенсивность ультразвуковых колебаний, или сила звука, представляет энергию, переносимую ультразвуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны, за единицу времени:
I = Ее = р.е-®2 /2 . (5)
В жидкостях и газах наибольшие потери происходят из-за внутреннего трения (вязкости) и теплопроводности.
При распространении в поглощающей среде происходит затухание волны и интенсивность I колебаний в волне постепенно уменьшается при удалении от источника колебаний (при х = 0 I = 10).
Уменьшение интенсивности можно выразить следующим образом:
I = 1о . (6)
При прохождении ультразвуковой волной границы раздела двух сред часть энергии волны в общем случае будет отражаться, а часть попадет во вторую среду.
Распространение ультразвуковых колебаний конечной амплитуды средней и большой интенсивности (I > 0,1 Вт/см2) вызывает в жидкой среде ряд эффектов, главными из которых являются кавитация и акустические течения.
Сопротивление жидкости разрыву уменьшается в местах, где есть мельчайшие пузырьки газа, несмачиваемые твердые частицы и т.д. Единичную навигационную полость или кави-тационную область, представляющую собой совокупность таких полостей, можно рассматривать как своеобразный трансформатор мощности. Запасенная энергия отдается в течение всего времени захлопывания и в начале фазы расширения сжатой полости. Большая часть энергии будет отдаваться в окружающую жидкость в этот момент, причем мгновенная мощность будет наибольшей в начале фазы расширения. Уравнения (2), (3), (6) для расчетов параметров ульт-
развукового поля справедливы для небольших интенсивностей I < 0,3 Вт/см . При более высоких интенсивностях образуются области с развитой кавитацией, которые значительно изменяют характер ультразвукового поля.
На основании изложенной теории работа по снятию напряжений а2 и а+ для колец подшипников равна:
а+ = s■
- г,2)
г,2 • г2 V
г2 + —-2
2 ^ 2
и^йр.
А = (-
V
°2 • (2 - Г 2
Г г2 Л
1 - ^
V ру
У
и • йр.
(7)
(8)
Учитывая (7) и (8), полная работа по снятию напряжений а2 и а+ равна:
( ,2 2 Л
[-(Г22 - Г12 )]•
А = ^
,2 Г2 •Г
р2 У
+ а2
^2 ^ Г,2 Л
Г 2 + ——1 '2 ^ _ 2
V
р
У
4 4 4 , Г2 ^
•и •йр,
(9)
Г2 +
р
где а2 и а+ - упругие напряжения; Г, и Г2 - внутренний и наружный радиусы колец, мм; 5 - площадь сечения кольца, мм2; р - плотность материала, г/мм3.
Эффективность снятия остаточных напряжений будет выполняться при соблюдении условия:
■р-( + V22-г2) = 5-1-
[- (( - Г,2)]
(
22 2 Г2 •Г,
г _ ^ 1
Г2 2
V
р
(
+ а2
У
2
2 Ч '1
Г 2 + ——, Г2 + р2
44
4 Г2 •Г Г4 + ——— '2 ^ 4
• и • йр .
р
Энергию остаточной деформации кольца, которая расходуется на компенсацию внутренних напряжений, можно определить по формуле:
АЖ = АА^Кк-Г, (Ю)
где / - частота ультразвуковых колебаний, Гц; ^ - время обработки, с; КОН - коэффициент остаточных напряжений; КК - коэффициент, зависящий от интенсивности кавитационных процессов.
Время, необходимое для снятия внутренних напряжений, можно определить по формуле:
I = •
А^Аа• КК
Вн •АР
2 го2н •Кы,
£
8 • 3
+ -
Кы
Л
где АГ - изменение объёма кольца, мм .
Разработанные теоретические положения использовались при разработке в НПП НИМ установки ультразвуковой обработки колец подшипников без жесткого контакта источника ультразвуковых колебаний и поверхности обрабатываемой детали. Снятие остаточных напряжений происходит в результате кавитирующего воздействия рабочей жидкости на поверхность детали. Пузырьки выступают в роли микроинструментов, производя множество микроударов, тем самым происходит снятие остаточных напряжений.
2
Полученные теоретические положения, связанные с ультразвуковым снятием остаточных напряжений с использованием эффекта кавитации, позволяют оптимизировать процесс и за счёт этого повысить его производительность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов / Б. А. Артамонов, Ю.С. Волков, В.И. Дрожалова и др. М.: Высшая школа, 1983. 248 с.
2. Слесарев С.В. Совершенствование технологии стабилизации остаточных напряжений в прецизионных деталях типа колец подшипников на основе применения ультразвуковой энергии: дис. ... канд. техн. наук. Саратов, 2006. 174 с.
3. Бабенко М.Г. Способы релаксации остаточных напряжений / М.Г. Бабенко, С.В. Слесарев // Прогрессивные направления развития технологии машиностроения: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2003. С. 76-78.
4. Королев А.В. Анализ уровня вибрации подшипниковых узлов 2108-1006120-01 после ультразвуковой стабилизирующей обработки / А.В. Королев, В.В. Болкунов, С.В. Слеса-рев // Прогрессивные направления развития технологии машиностроения: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2005. С. 38-40.
Королев Альберт Викторович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета
Korolyov Albert Viktorovich -
Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of «Technology of Machine-building» of Saratov State Technical University
Бабенко Марина Геннадиевна -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Проектирование технических и технологических комплексов» Саратовского государственного технического университета
Babenko Marina Gennadievna -
Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of the Department of «Design of Technical and Technological Complexes» of Saratov State Technical University
Слесарев Сергей Валентинович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Проектирование технических и технологических комплексов» Саратовского государственного технического университета
Статья поступила в редакцию 20.05.09, принята к опубликованию 09.09.09
Slesarev Sergey Valentinovich -
Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of the Department of «Design of Technical and Technological Complexes» of Saratov State Technical University
