CC BY
8
УДК 621.9.07
doi:10.21685/2072-3059-2022-4-2
Влияние материала концентратора ультразвуковых колебаний на величину амплитуды механических колебаний
А. А. Казинский1, Д. В. Бабакаев2
1,2Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., Саратов, Россия 1aak@sstu.ru, 2demonmat11@mail.ru
Аннотация. Актуальность и цели. Целью данной статьи является поиск оптимального материала концентратора ультразвуковых колебаний для последующего использования в процессах электродуговой наплавки. Материалы и методы. Для выполнения поставленной цели были изготовлены концентраторы с одинаковыми геометрическими характеристиками марок: сталь 40Х, дюраль Д16Т, титан ВТ3-1. Измерения проводили на пьезоэлектрическом преобразователе с частотой 19-24 кГц и микрометрическом индикаторе часового типа с ценой деления 0,001 мм. Результаты. Установлены зависимости амплитуды механических колебаний концентраторов ультразвуковых колебаний от частоты, построены соответствующие графики и определен наиболее оптимальный материал для изготовления концентратора ультразвуковых колебаний. Выводы. Определение материала концентратора - один из основных этапов исследования, направленного на управление процессами ультразвукового формообразования при электродуговой наплавке.
Ключевые слова: ультразвук, ультразвуковая обработка, колебания, волна, длина волны, генератор, металлургия, машиностроение, наплавка
Для цитирования: Казинский А. А., Бабакаев Д. В. Влияние материала концентратора ультразвуковых колебаний на величину амплитуды механических колебаний // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2022. № 4. С. 17-24. doi:10.21685/2072-3059-2022-4-2
The influence of the material of ultrasonic vibration concentrator on the amount of mechanical vibrations' amplitude
A.A. Kazinskiy1, D.V. Babakaev2
1,2Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Saratov, Russia 1aak@sstu.ru, 2demonmat11@mail.ru
Abstract. Background. The purpose of this article is to find the optimal material for the concentrator of ultrasonic vibrations for subsequent use in the processes of electric arc surfacing. Materials and methods. To achieve this purpose, concentrators with the same geometric characteristics of grades were manufactured: steel 40X, duralumin D16T, titanium VT3-1. The measurements were carried out on a piezoelectric transducer with a frequency of 19-24 kHz and a dial micrometric indicator with a division value of 0.001 mm. Results. The frequency dependences of the amplitude of mechanical vibrations of ultrasonic vibration (USV) concentrators have been established, the corresponding graphs have been plotted, and the most optimal material for the manufacture of an ultrasonic concentrator has been determined. Conclusions. Determination of the concentrator material is one of the main stages of research aimed at controlling the processes of ultrasonic shaping in electric arc surfacing.
© Казинский А. А., Бабакаев Д. В. , 2022. Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License / This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.
Keywords: ultrasound, ultrasonic treatment, vibrations, wave, wavelength, generator, metallurgy, mechanical engineering, surfacing
For citation: Kazinskiy A.A., Babakaev D.V. The influence of the material of ultrasonic vibration concentrator on the amount of mechanical vibrations' amplitude. Izvestiya vys-shikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki = University proceedings. Volga region. Engineering sciences. 2022;(4):17-24. (In Russ.). doi:10.21685/2072-3059-2022-4-2
Введение
Одним из приоритетных направлений науки и техники в области машиностроения является получение составных изделий с использованием аддитивных технологий с преимущественным наращиванием объема заготовки [1-4]. Для получения изделий на базе аддитивных технологий все больше необходимо разрабатывать оптимальные технологические процессы для управления производством. Однако область аддитивных технологий обширна и использование одних условий не будет соответствовать всем направлениям. Данная работа посвящена использованию аддитивных технологий в области сварки и наплавки материалов.
Основная проблема данного направления - формообразование свободной поверхности наплавленного покрытия и сварочных швов. В научных исследованиях по управлению формообразованием наплавленного металла с целью снижения или полного исключения последующей черновой механической обработки поверхности наплавки можно выделить основные направления:
- пластическое деформирование наплавленного металла в твердом состоянии [5, 6];
- формообразование в вязко-пластичном состоянии при помощи кристаллизаторов и форм, вытеснения расплава с использованием промежуточных элементов;
- совмещение операций наплавки или сварки с формообразованием наплавленного металла механической обработкой.
Отдельным направлением разработки систем формообразования наплавленного металла являются попытки применения ультразвуковых колебаний (УЗК), наложенных на формообразующие устройства.
Предлагается использование в качестве формообразующего фактора радиационного давления ультразвуковых волн [7] вблизи источника ультразвуковых колебаний (бесконтактное формообразование). Использование данного эффекта предложено в работе [8], однако эта область требует расширенных исследований.
В данной работе не стоит задача определения всех параметров УЗК, так как это большой объем исследований, который не описать в одной статье. Исследование направлено на поиск оптимального материала для изучения воздействия ультразвуковой обработки на поверхность расплава.
Экспериментальные исследования
В работе [9] автором установлено, что «параметрами, в большей степени влияющими на величину глубины H, являются волновое сопротивление pc второй среды и амплитуда колебаний ультразвукового концентратора А».
Исходя из этого, необходимо подобрать оптимальный материал с высоким показателем амплитуды колебаний А.
Для исследования собран пьезоэлектрический преобразователь для трансформации ультразвуковой энергии в механические колебания, который состоит из излучающей и отражающей накладок, пьезоэлектрических элементов, прокладок и изолирующей втулки. Излучающая и отражающая накладки выполнены из конструкционной углеродистой стали и соединены между собой шпилькой. Между накладками на шпильке крепятся пьезоэлектрические элементы из пьезокерамики ЦТС-19. Для электрической изоляции внутренней цилиндрической поверхности пьезоэлементов от металлической шпильки применяется изолирующая втулка из фторопласта. Пьезоэлементы разделены между собой излучающей и отражающей медными прокладками, выполняющими функцию электродов.
Источник питания пьезоэлектрического преобразователя - ультразвуковой генератор с частотой 19-24 кГц.
Концентратор ультразвуковых колебаний предназначен для передачи УЗК с увеличением значения амплитуды. Выбраны 3 марки материалов, из которых изготовлены концентраторы:
1) концентратор алюминиевый Д16Т;
2) концентратор стальной 40Х (закаленная, 35-38 HRC);
3) концентратор титановый ВТ3-1.
Установка, на которой проводились эксперименты (рис. 1), представляет собой разборный кронштейн 1 с регулируемой высотой подвода и отвода концентратора, опорную плиту 2, пьезоэлектрический преобразователь 3, который крепится болтами 4, генератор с частотой 19-24 кГц 5, плиту с микрометром 6 и концентраторы УЗК (стальной 40Х 7, дюралевый Д16Т 9, титановый ВТ3-1 5) для проверки влияния материала на амплитуду механических колебаний.
Рис. 1. Экспериментальная установка
Общий чертеж концентратора приведен на рис. 2.
Рис. 2. Концентратор
Для измерения амплитуды механических колебаний был выбран микрометр с ценой деления 0-001 мм. Экспериментальная частота измерений: от 19-24 кГц.
Результаты измерений стального (40Х), дюралевого (Д16Т) и титанового концентраторов (ВТ3-1) представлены соответственно в табл. 1-3 и на рис. 3-5. Общий сравнительный график зависимостей представлен на рис. 6.
Таблица 1
1, кГц 21 21,25 21,5 21,75 22 22,25 22,5 22,75 23 23,25 23,5 23,75 24
А, мм 0 0 0,001 0,002 0,006 0,001 0 0 0 0 0 0 0
Таблица 2
X, кГц 21 21,25 21,5 21,75 22 22,25 22,5 22,75 23 23,25-24
А, мм 0,003 0,025 0,004 0,003 0,001 0 0 0 0 0
Таблица 3
X кГц 21-22 22,25 22,5 22,75 22,8 22,9 23 23,25 23,5 24
А, мм 0 0,003 0,003 0,003 0,023 0,045 0,013 0,005 0,002 0
Рис. 3. График зависимости амплитуды от частоты для стального концентратора УЗК
Рис. 4. График зависимости амплитуды от частоты для дюралевого концентратора УЗК
Рис. 5. График зависимости амплитуды от частоты для титанового концентратора УЗК
Заключение
Были исследованы три образца разных марок материалов. На общем сравнительном графике представлены результаты показаний амплитуд ультразвуковых колебаний всех образцов (рис. 6). Анализ полученных зависимо-
стей свидетельствует о том, что стальной (40Х) концентратор имеет наименьшие показатели амплитуды А, дюралевый (Д16Т) подтверждает показатели, рассчитанные в работе [9], а титановый концентратор (ВТ3-1) обладает наиболее высокими показателями амплитуды УЗК в сравнении с остальными представленными образцами.
Рис. 6. Общий сравнительный график зависимостей УЗК
Также немаловажным является фактор использования концентратора при наплавке в условиях высоких температур, поэтому при выборе концентратора из титана исключается необходимость в дополнительной защите от термического воздействия, так как сплав ВТ3-1 является жаропрочным [10].
Оптимальным материалом для изготовления ультразвукового концентратора устройства формообразования при кристаллизации сталей радиационным давлением является титановый сплав марки ВТ3-1.
Список литературы
1. Ногуманов Р. И. Аддитивные технологии в машиностроении // Актуальные проблемы науки в студенческих исследованиях : сб. материалов IX Всерос. студ. науч.-практ. конф. Альметьевск, 2019. С. 113-117. URL: https://www.elibrary.ru/ item.asp?id=41660190
2. Зорин В. А., Полухин Е. В. Аддитивные технологии. Перспективы применения аддитивных технологий при производстве дорожно-строительных машин // Строительная техника и технологии. 2016. № 3 (119). С. 54-57.
3. Смуров И. О., Конов С. Г., Котобан Д. В. О внедрении аддитивных технологий и производства в отечественную промышленность // Новости материаловедения. Наука и техника. 2015. № 2. С. 22-25.
4. Дьячков В. Н., Баринов А. Ю., Никитин К. В. Применение аддитивных технологий в производстве литых изделий // Литейное производство. 2016. № 5. С. 30-32.
5. Барчуков Д. А., Новоселова М. В., Устюжанов А. С. Применение статических и ударных методов поверхностного пластического деформирования наплавленных быстрорежущих сталей // Перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении : сб. науч. ст. 6-й Всерос. науч.-техн. конф. с международным участием. Курск, 2021. С. 25-28. URL: https://www.elibrary.ru/ item.asp?id=45586802
6. Иванов В. П., Кастрюк А. П., Штемпель О. П., Вигерина Т. В. Влияние поверхностного пластического деформирования на геометрические параметры упрочня-
емой поверхности при восстановлении шеек коленчатых валов // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия В. Промышленность. Прикладные науки. 2014. № 3. С. 17-21.
7. Красильков В. А., Крылов В. В. Введение в физическую акустику. М. : Наука, 1984. 403 с.
8. Патент 2490101 Российская Федерация. Способ дуговой сварки или наплавки / Казинский А. А., Ещенко Р. Ю., Казинский Н. А. Заявл. 14.11.2011 ; опубл. 20.08.2013, Бюл. № 10.
9. Казинский А. А. Кристаллизация расплава при сварке и наплавке в условиях управления теплоотводом, составом шва и формообразованием давлением ультразвукового поля. Саратов : Изд-во СГТУ, 2018. 204 с.
10. Горбатенко В. П., Новоселова Т. В. Материаловедение. Невинномысск : Эльди-рект, 2018. 324 с.
References
1. Nogumanov R.I. Additive technologies in mechanical engineering. Aktual'nye problemy nauki v studencheskikh issledovaniyakh: sb. materialov IX Vseros. stud. nauch.-prakt. konf. = Actual problems of science in student research: proceedings of the 9th All-Russian scientific and practical conference for students. Al'met'evsk, 2019:113-117. (In Russ.). Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41660190
2. Zorin V.A., Polukhin E.V. Additive technologies. Prospects for the use of additive technologies in the production of road construction machines. Stroitel'naya tekhnika i tekhnologii = Construction machinery and technologies. 2016;(3):54-57. (In Russ.)
3. Smurov I.O., Konov S.G., Kotoban D.V. On the introduction of additive technologies and production in the domestic industry. Novosti materialovedeniya. Nauka i tekhnika = News of materials science. Science and technology. 2015;(2):22-25. (In Russ.)
4. D'yachkov V.N., Barinov A.Yu., Nikitin K.V. Using additive technologies in the production of cast products. Liteynoeproizvodstvo = Foundry. 2016;(5):30-32. (In Russ.)
5. Barchukov D.A., Novoselova M.V., Ustyuzhanov A.S. Application of static and impact methods of surface plastic deformation of deposited high-speed steels. Perspektivy razvitiya tekhnologiy obrabotki i oborudovaniya v mashinostroenii: sb. nauch. st. 6-y Vseros. nauch.-tekhn. konf. s mezhdunarodnym uchastiem = Prospects for the development of processing technology and equipment in mechanical engineering: proceedings of the 6th All-Russian scientific and engineering conference with international particip-tion. Kursk, 2021:25-28. (In Russ.). Available at: https://www.elibrary.ru/ item.asp?id=45586802
6. Ivanov V.P., Kastryuk A.P., Shtempel' O.P., Vigerina T.V. Influence of surface plastic deformation on the geometric parameters of the hardened surface in the restoration of crankshaft journals. Vestnik Polotskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya V. Promyshlennost'. Prikladnye nauki = Bulletin of Polotsk State University. Series 5. Industry. Applied Science. 2014;(3):17-21. (In Russ.)
7. Krasil'kov V.A., Krylov V.V. Vvedenie v fizicheskuyu akustiku = Introduction to physical acoustics. Moscow: Nauka, 1984:403. (In Russ.)
8. Patent 2490101 Russian Federation. Sposob dugovoy svarki ili naplavki = Arc welding or surfacing method. Kazinskiy A.A., Eshchenko R.Yu., Kazinskiy N.A. Appl. 14.11.2011; publ. 20.08.2013, Bull. № 10. (In Russ.)
9. Kazinskiy A.A. Kristallizatsiya rasplava pri svarke i naplavke v usloviyakh upravleniya teplootvodom, sostavom shva i formoobrazovaniem davleniem ul'trazvukovogo polya = Crystallization of the melt during welding and surfacing under conditions of control of heat removal, weld composition and shaping by ultrasonic field pressure. Saratov: Izd-vo SGTU, 2018:204. (In Russ.)
10. Gorbatenko V.P., Novoselova T.V. Materialovedenie = Materials Science. Nevinnomyssk: El'direkt, 2018:324. (In Russ.)
Информация об авторах / Information about the authors
Алексей Алексеевич Казинский кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой технической механики и мехатроники, Саратовский государственный университет имени Гагарина Ю. А. (Россия, г. Саратов, ул. Политехническая, 77)
E-mail: aak@sstu.ru
Дмитрий Владиславович Бабакаев аспирант, Саратовский государственный университет имени Гагарина Ю. А. (Россия, г. Саратов, ул. Политехническая, 77)
E-mail: demonmat11@mail.ru
Aleksey A. Kazinskiy
Candidate of engineering sciences, associate professor, head of the sub-department of technical mechanics and mechatronics, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (77 Politehnicheskaya street, Saratov, Russia)
Dmitriy V. Babakaev Postgraduate student, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (77 Politehnicheskaya street, Saratov, Russia)
Поступила в редакцию / Received 26.05.2022
Поступила после рецензирования и доработки / Revised 08.09.2022 Принята к публикации / Accepted 10.10.2022
