Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Впервые информация и материалы об этом способе обработки появились в работах профессора Муханова И.И. и других в 1964 году. В настоящее время, в России, оборудование для данного метода обработки производят несколько организаций. Значительных достижений в данном направлении добился «Северо-Западный Центр Ультразвуковых Технологий» под руководством д.т.н., профессора Холопова Ю. В.
Безабразивная ультразвуковая финишная обработка – БУФО применяется после чистовой токарной обработки. Ультразвуковой инструмент, зажатый в резцедержку универсального токарного станка, под действием статической силы, создаваемой прижимом, и динамической силы, создаваемой ультразвуковой колебательной системой, пластически деформирует и упрочняет поверхностный слой детали, увеличивает микротвердость, снимает остаточные макро- и микронапряжения, сглаживает неровности поверхности и создает, в итоге, улучшенный поверхностный слой с регулярным характером микрорельефа.
Результаты применения данного способа улучшения поверхностного слоя деталей совмещают в себе лучшие показатели отдельных, классических, способов обработки:
В результате комплекса перечисленных свойств, детали машин и механизмов, подвергнутые ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработке, имеют большую износостойкость, циклическую прочность, контактную усталостность и т.д., чем после шлифования, обкатывания шаром и многих других окончательных, финишных, способов обработки поверхности деталей.
В настоящее время наиболее активно вопросами разработки, изготовления и внедрения оборудования для технологии БУФО занимается ООО "Северо-Западный Центр ультразвуковых технологий" в Санкт-Петербурге, Россия, под руководством доктора технических наук, профессора, заслуженного деятеля науки РФ Холопова Юрия Васильевича. На данный момент разработано 6 типоразмеров комплектов БУФО, которые могут быть установлены на любые виды станков, предназначенных для металлообработки – токарные (рисунок 2.4.1), строгальные, фрезерные (рисунок 2.4.2) и др.
Рисунок 2.4.1 - Применение ультразвуковой обработки наружных поверхностей
тел вращения на токарном станке.
Рисунок 2.4.2 - Инструмент для установки на фрезерный станок.
Так, для обработки наружных поверхностей разработан комплект БУФО-0,63-22-10 (мощность 0,63 кВт, частота 22кГц, модель 10), который может быть установлен на токарные станки практически любых размеров, которые имеют каретки с резцедержателем. Этим комплектом можно провести обработку и ротора турбины диаметром 1200 мм и длиной 2500мм, и деталей диаметром 1,5-2 мм. Правда, во втором случае необходимо провести миниатюризацию комплекта БУФО. Комплект БУФО-0,63-22-10 используется для обработки наружных поверхностей различных конструктивных форм деталей. Ультразвуковой излучатель не требует, как правило, какой-либо модификации при изменении длины или диаметра детали. При обработке деталей в виде конусов, экспонент, сфер, торцовых поверхностей и т.п. целесообразно использовать станки с ЧПУ. Комплект БУФО-0,63-22-10 может быть использован и для обработки внутренних поверхностей с диаметром более 400 мм. Он просто крепится в борштанге перпендикулярно образующей детали.
Для обработки внутренних поверхностей диаметров менее 400 мм разработаны комплекты:
– БУФО 0,63/22, модель 30, для деталей с диаметром внутренних отверстий от 5 до 10 мм, на максимальную глубину до 25 мм;
– БУФО 0,63/22, модель 31, для деталей с диаметром внутренних отверстий от 10 до 25 мм, на максимальную глубину до 50 мм;
– БУФО 0,63/22, модель 32, для деталей с диаметром внутренних отверстий от 25 до 50 мм, на максимальную глубину до 250 мм;
– БУФО 0,63/22, модель 33, для деталей с диаметром внутренних отверстий от 50 до 75 мм, на максимальную глубину до 500 мм (рисунок 2.4.3).
Рисунок 2.4.3 - Ультразвуковая установка для обработки отверстий тел вращения
на минимальный диаметр 50 мм и максимальную глубину прохода до 500 мм.
Также идет разработка еще одной модели БУФО 0,63/22-34, на диаметр от 75 до 400 мм и на глубину 1500 мм и более. Эти комплекты отличаются друг от друга изменением конструктивной формы акустических головок, что вызвано необходимостью решить проблему ввода ультразвукового излучателя в зону обработки металла при определенных соотношениях глубины и диаметра отверстия.
Преимущества применения комплекта БУФО заключаются в следующем:
Ультразвуковую упрочняющую обработку твердых тел можно осуществлять либо в жидкости, в которой распространяются ультразвуковые колебания, либо с помощью деформирующих тел, колеблющихся с ультразвуковой частотой.
Ультразвуковой волновой процесс в жидкости сопровождается возникновением большого числа разрывов в виде мельчайших пузырьков в полупериод растяжения и захлопывания их в полупериод сжатия – кавитацией. В момент захлопывания пузырьков развиваются большие местные мгновенные давления, достигающие сотен атмосфер. Например, в воде при схлопывании кавитационной полости мгновенное давление достигает 106 Па, что значительно выше предела прочности многих конструкционных материалов. Повысить количество энергии, выделяющееся при схлопывании кавитационных полостей, можно наложением на рабочую среду, в которой распространяются ультразвуковые колебания, значительных статических или динамических нагрузок. Кавитационные пузырьки зарождаются преимущественно на поверхности помещенных в жидкость изделий. При захлопывании пузырьков происходит наклеп поверхности детали. Глубина наклепа, твердость, а, следовательно, и износостойкость наклепанного слоя определяется интенсивностью энергии ультразвуковой волны, физико-механическими свойствами жидкости и восприимчивости к наклепу обрабатываемой детали. В отдельных случаях ультразвуковым наклепом в жидкости можно повысить износостойкость детали в 1,5-1,8 раза.
При обработке с помощью деформирующего тела, оно может крепиться к волноводу или концентратору ультразвуковых колебаний, образуя ультразвуковой инструмент, либо размещается в контейнерах.
Если инструменту при обработке статическими методами (обкатывание шаром, роликом, алмазное выглаживание, поверхностное дорнование) инструменту сообщают дополнительные ультразвуковые колебания с частотой 18-24 кГц и амплитудой 15-30 мкм, то они становятся ударными методами (ультразвуковое обкатывание, выглаживание) (рисунок 2.5.1).
При обычном ультразвуковом упрочнении инструмент 4 (рисунок 2.5.2) под действием статической и значительной ударной силы, создаваемой колебательной системой (ультразвуковым генератором 1, магнитострикционным преобразователем 2 и концентратором 3), пластически деформирует поверхностный слой обрабатываемой детали 5. Статическую силу Рст можно прикладывать с помощью пружины или, например, груза 6, под действием которого все устройство может свободно перемещаться по направляющим 7 и поджиматься к детали 5.
Рисунок 2.5.1 - Характер взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью
в направлении скорости и подачи.
Рисунок 2.5.2 - Схема УЗО наружных цилиндрических поверхностей.
В качестве нового прогрессивного метода ультразвуковой обработки наружных цилиндрических поверхностей в России профессором В.Ф. Пегашкиным предложена схема ультразвукового упрочнения поверхностей с наложением ультразвуковых крутильных колебаний (рисунок 2.5.3).
Рисунок 2.5.3 - Ультразвуковое упрочнение поверхностей с наложением крутильных колебаний.
Индентор 1 устанавливается на выходном торце концентратора 2, которому сообщаются крутильные колебания с амплитудой АК от устройства. При этом за счет смещения относительно оси концентратора эдентор 1 совершает перемещения одновременно по двум координатам в плоскости, касательной к поверхности обрабатываемой детали 3. Смещение эдентора 1 от оси концентратора 2 может изменяться от е=0 (оси индентора 1 совмещены с осями концентратора 2) до е=еmax (определяется геометрическими параметрами выходного торца концентратора). Индентор 1 под действием статической силы Р и динамической силы FА пластически деформирует поверхностный слой детали 3, вращающийся со скоростью v.
Рисунок 2.5.4 - Положения эдентора при обработке
На рисунке 2.5.4 показаны возможные положения индентора на выходном торце концентратора. Ось колебаний индентора ОКi в касательной плоскости по отношению к оси детали ОД может быть параллельна (ОК0), при этом γ=0, (γ – угол смещения оси колебания эдентора относительно оси детали), перпендикулярна (ОК90), γ=90° или занимать промежуточное положение (ОКi), 0°<γ<90°. При сообщении крутильных колебаний индентору 1 траектория его перемещения будет представлять дугу окружности радиусом е. При этом амплитуда крутильных колебаний АК может быть представлена в виде двух составляющих (рисунок 2.5.5): амплитуды колебаний индентора 1 в тангенциальном направлении Аt, и амплитуды колебаний индентора 1 в продольном направлении Аs. В зависимости от угла смещения γ изменяется величина отношения амплитуды колебаний индентора 1 в тангенциальном направлении Аt к амплитуде колебаний индентора 1 в продольном направлении Аs: при угле смещения γ, близком к 90°, преобладают продольные колебания индентора 1, а при γ, стремящемся к 0°, - тангенциальные колебания. При угле смещения γ=45°, величина амплитуды Аt=Аs.
Рисунок 2.5.5 - Разложение амплитуды крутильных колебаний на составляющие.
Данный метод уже был опробован в промышленных условиях. Результаты испытаний показали, что сообщение крутильных колебаний деформирующему элементу – индентору позволяет снизить статическую силу Р до 9 Н, тогда как при других ультразвуковых упрочнениях эта сила достигает 30 Н. Шероховатость обрабатываемой поверхности улучшается, глубина упрочненного слоя составляет в среднем 0,8 мм. Кроме того, при определенных режимах возможно получение частично регулярных микрорельефов: с отсутствием пересечения регулярных микронеровностей, с полным и неполным их пересечением с кольцевым расположением регулярных микронеровностей.
Используют также ультразвуковую обработку, когда рабочим телам, помещенным в замкнутом объеме вместе с обрабатываемой деталью, сообщают ультразвуковые колебания, под воздействием которых происходит упрочнение обрабатываемой поверхности. Процесс (рисунок 2.5.6) напоминает виброударную обработку. Деталь 1 устанавливают в специальную камеру 3, где размещают также стальные шарики 4. Ультразвуковое поле создают ультразвуковым преобразователем 5 и концентратором 6. Зазоры между камерой 3 и концентратором 6 выбирают меньшими диаметра шариков 4. В зону обработки периодически впрыскивают небольшое количество жидкости. Оптимальные условия обработки выбирают изменяя интенсивность ультразвукового поля, диаметр и число шариков.
Рисунок 2.5.6 - Схема устройства для ультразвукового упрочнения стальными шариками.
Применение УЗО эффективно в следующих случаях:
– для деталей из термически обработанных сталей У10А, У12, Х40, ШЧ15, сталей аустенитной 12Х18Н9Т и мартенситной Х15Н5Д2Т и др., так как применение других методов, например ОШ, не позволяет получить значительный упрочняющий эффект;
– для деталей и инструментов из твердых сплавов вследствие того, что составляющие фазы таких сплавов (главным образом кобальт) пластически деформируются; при этом улучшаются основные характеристики и качества поверхностного слоя и значительно увеличивается стойкость инструмента.
– для деталей малой и неравномерной жесткости, так как УЗО характеризуется небольшими статической силой и временем деформирования.
Примером эффективного применения УЗО может служить упрочнение предварительно шлифованных рабочих поверхностей эвольвентного зуба зубчатых колес из стали 45. В результате УЗО с оптимальным режимом (Рст = 5 Н, 2А = 20 мкм, S = 0,1 мм/об; i = 1) Ra уменьшился с 0,4 мкм до 0,1 мкм; микротвердость поверхностного слоя повысилась с 208 HB до 357 HB (на 71%) и, соответственно, повысился предел контактной выносливости на 10–20 % [16, с. 262].
Влияние ультразвуковых колебаний на механические свойства металлов и сплавов зависит от химического состава, структуры состояния материала, режимов обработки, частоты колебаний, величины динамических напряжений, возникающих в конкретных объемах металлов, температуры и продолжительности ультразвуковой обработки. Небольшие изменения этих факторов может вызвать значительные изменения механических свойств материала.
К параметрам режима ультразвуковой обработки относятся: статическая сила Рст, амплитуда А колебаний инструмента, радиус его скругления r, частота колебаний f, эффективная масса инструмента M, продольная подача S, число рабочих ходов i, скорость обрабатываемой детали v. Основные параметры обработки лежат в следующих пределах: частота ультразвуковых колебаний Гц; амплитуда колебаний 2А=10…20 мкм; статическая сила Рст = 30… 300 Н; время контактирования инструмента с деталью с; отношение тангенциальной силы к нормальной ; скорость колебательного движения инструмента м/с; ускорение м/с2; кратность деформирования 400.
Качественная картина влияния параметров обработки на характеристики поверхностного слоя показана на рисунке 2.6.1.
Рисунок 2.6.1 - Характер зависимости характеристик качества поверхностного слоя
от режима обработки.
Для определения конкретной степени влияния ультразвуковой ударной обработки на изменение состояния поверхностных слоев материала были проведены исследования. Схема установки эксперимента изображена на рисунке 2.6.2. Электрические колебания ультразвуковой частоты (18…20 кГц), создаваемые ультразвуковым генератором 9, подавались на магнитострикционный преобразователь 8, трансформировались там в механические колебания и по волноводной системе, состоящей из концентратора 1 и излучателя 6 с диаметром D, подводились к лежащим на поверхности излучателя рабочим телам 4. В качестве рабочих тел использовались шарики различного диаметра d. В экспериментах использовались шарики, изготовленные из стали ШХ15 (1% С, 1,5% Cr) с диаметром d=(0,6±0,1…3,0±0,2) мм, карбида вольфрама с d=0,7±0,1 мм, а также хромистой стали ШХ20СГ с d=0,6±0,1 мм [14, с. 7].
Образец 3, выполненный в форме диска, помещался на определенном расстоянии l от поверхности излучателя в специальной камере 5. Под действием ультразвука рабочие тела подскакивали и наносили удар по поверхности образца. Для определения амплитуд смещения излучателя ξм на нем устанавливался кольцевой электродинамический датчик 2, соединенный с измерительным прибором 7.
Для образцов с диаметром до 20 мм использовался генератор мощностью 1000 Вт и частотой около 20 кГц и магнитострикционный преобразователь мощностью 500 Вт. Диаметр излучателя D составлял 17,5 или 20 мм. Для образцов с диаметром до 70 мм использовался генератор мощностью 5000 Вт и частотой 17,5 кГц и магнитострикционный преобразователь мощностью 4000 Вт. Диаметр концентратора в этой установке составлял 65 мм, а диаметр излучателя D=70 мм.
Рисунок 2.6.2 - Установка для ультразвуковой ударной обработки поверхности металлических образцов свободными рабочими телами.
Для оценки силы удара в специально поставленных экспериментах вместо образцов в камере устанавливался датчик (рисунок 2.6.3), состоящий из пьезодатчика 12, помещенного в демпфирующую оболочку 13. Электрический сигнал с датчика подавался на регистрирующий прибор 14.
Рисунок 2.6.3 - Дополнительный блок для оценки силы удара рабочего тела о поверхность образца к установке для ультразвуковой ударной обработки металлических образцов свободными рабочими телами.
На первом этапе экспериментов оценивалась сила удара по пьезоэлектрическому датчику, на втором – выявлялась зависимость состояния поверхностного слоя в образцах материалов, выбранных для исследования, от параметров ультразвуковой обработки.
Влияние амплитуды колебаний, расстояния между датчиком и излучателем, диаметра шариков и их числа на величину электрического сигнала, возбуждаемого в пьезокерамическом элементе и пропорционально силе удара шарика на образец, показано на рисунке 2.6.4. Сила удара практически линейно возрастает с увеличением амплитуды колебаний и диаметра шарика и нелинейно убывает с увеличением расстояния между излучателем и датчиком (образцом). Максимальная сила удара реализуется при определенном количестве рабочих тел.
Влияние амплитуды колебаний, продолжительности обработки материала, размера и числа рабочих тел, а также расстояния между образцом и излучателем было детально исследовано в эксперименте с образцами Ст3. Результаты ультразвуковой обработки приведены на рисунке 2.6.5. Как следует из анализа кривых, упрочнение поверхности образцов имело место при амплитудных колебаниях излучателя более 5 мкм, т.е. порогового значения амплитуды ультразвуковых колебаний. Упрочнение металла возможно при ультразвуковой его обработке со значениями амплитуд колебаний выше пороговых, причем тем в большей степени, чем больше амплитуда. Но при увеличении амплитуды ультразвуковых колебаний, увеличение твердости обрабатываемого изделия не безгранично.
Максимальная степень упрочнения наблюдалась при времени обработки около 360 с, затем степень упрочнения уменьшалась. При значительных деформациях уже на первых этапах обработки в материале наблюдается усталостные эффекты, материал охрупчивается, а затем и разрушается. Более высокая степень упрочнения имела место при обработке поверхности шариками диаметром 3,2 мм по сравнению с шариками диаметром 0,6 мм. Использование в качестве рабочих тел шариков из карбида вольфрама давало более высокую степень упрочнения. Наилучшие результаты были получены при размещении на поверхности одного слоя рабочих тел. С увеличением расстояния между излучателем и образцом степень упрочнения снижалась, т.к. уменьшается сила удара рабочего тела об обрабатываемую поверхность.
а – амплитуды колебаний излучателя; б – расстояния между излучателем и датчиком;
в – диаметра шарика; г – числа шариков.
Рисунок 2.6.4 - Зависимость величины электрического сигнала, снимаемого с пьезодатчика от:
а – амплитуды смещения; б – времени воздействия;
в – расстояния между излучателем и датчиком; г – диаметра шарика.
Рисунок 2.6.5 - Микротвердость HV стальных образцов в зависимости от:
Для некоторых материалов оптимальные параметры обработки приведены в таблице 2.6.1. Эти значения были найдены с помощью математических методов планирования эксперимента, а также с использованием результатов предварительных опытов [9, с. 174, 176].
Таблица 2.6.1
Оптимальные параметры ультразвуковой обработки.
|
Обрабатываемый материал |
Рст, Н |
2А, мкм |
v, м/мин |
|
Железо армко |
100 |
27 |
7 |
|
Сталь 45 |
140 |
27 |
15 |
|
СЧ 20 |
200 |
20 |
17 |
|
Сталь У10А закаленная |
240 |
25 |
6 |
|
Сталь ШХ15 закаленная |
250 |
30 |
7 |
Технологическое оборудование для ультразвуковой обработки имеет постоянную структуру независимо от физико-механических свойств обрабатываемых материалов (рисунок 2.7.1).
Рисунок 2.7.1 - Схема узлов технологического оборудования для БУФО.
Для реализации процесса безабразивной ультразвуковой финишной обработки необходимо типовое металлорежущее оборудование (токарный, строгальный или шлифовальный станок), обеспечивающее заданное движение заготовки или инструмента, ультразвуковой генератор, акустическая система и узел крепления акустической системы на рабочих органах металлорежущего оборудования. В зависимости от конструкции обрабатываемой детали обычные станки подлежат незначительной модернизации. Структурные схемы комплекта оборудования для безабразивной ультразвуковой физической обработки металлов на токарном оборудовании показаны на рисунке 2.7.2.
Рисунок 2.7.2 - Структурные схемы типового комплекта технологического оборудования
для безабразивной ультразвуковой обработки.
Исследования технологии БУФО позволяют сформулировать основные технические требования к оборудованию.
К источнику ультразвука – электромеханической колебательной системе предъявляют следующие требования:
– соответствие колебательной системы своему назначению. Должны быть учтены оптимальные амплитуды колебаний инструмента – индентора, усилия прижима и мощность;
– использование износостойких наконечников на инструменте для ультразвуковой полировки металлов;
– возможность быстрой замены колебательной системы как единого унифицированного узла;
– надежное крепление колебательной системы к корпусу станка;
– высокое качество соединения всех элементов колебательной системы.
Технические требования к механической части (корпус, система охлаждения, привод статического давления и т.д.):
– жесткость корпуса и приспособления для крепления акустической системы должна исключать непроизвольное смещение и перекосы инструмента относительно обрабатываемой детали;
– привод статического давления должен иметь малую инерционность и обеспечивать заданное усилие прижима индентора к обрабатываемой поверхности;
– в зависимости от режима работы акустической системы и ее мощности должна быть выбрана система охлаждения.
К комплекту оборудования для безабразивной ультразвуковой финишной обработки в полной мере относятся общие требования: максимальный КПД, минимальные габариты и вес, простота наладки и эксплуатации, надежность в работе, высокая производительность, патентная чистота, минимальная стоимость оборудования.
Технология БУФО изменяет размер детали только в пределах перепада исходной и конечной шероховатости поверхности. Т.е. снятия припуска не происходит, а лишь сминаются и выравниваются микронеровности поверхностей обрабатываемой детали. Излучатель поджимается с определенным давлением к поверхности детали, пластически деформирует ее поверхность, сглаживает вершины микрорельефа и упрочняет поверхностный слой. Получение низкой шероховатости возможно только при условии повышения шероховатости исходной поверхности (рисунок 2.8.1).
Рисунок 2.8.1 - Зависимость шероховатости поверхности после БУФО.
Один финишный проход излучателя ультразвука при исходной шероховатости поверхности Ra=6,3 мкм дает поверхность с Ra=0,1 мкм (10 класс). За одну операцию перепад исходной шероховатости к конечной составляет 6-7 раз. Для незакаленных сталей это отношение может составлять до 50-60, а для закаленных – до 16-33 раз.
Этим уникальным способом обрабатывается большинство известных марок стали, алюминий, медь и их сплавы, латунь, бронза, другие цветные металлы и сплавы. Результаты обработки специальных сталей сведены в таблицу 2.8.1.
А на рисунке 2.8.2 показаны образцы деталей, подвергшихся технологии БУФО. Для наглядного сравнения наружные цилиндрические поверхности были обработаны со стороны одного торца.
Таблица 2.8.1
Шероховатость некоторых специальных сталей до и после обработки УЗО.
|
Материал |
Исходная шероховатость Raисх, мкм |
Достигнутая шероховатость Raузо, мкм |
|
Сталь 13Х11Н2В2МФ |
0,85 |
0,11 |
|
2,4 |
0,6 |
|
|
Сталь ЖС-26 |
0,8 |
0,11 |
|
2,5 |
0,24 |
|
|
Сталь ХН77ТЮ |
0,71 |
0,11 |
|
Сталь ХН35ВТЮ |
0,8 |
0,22 |
|
Сталь 12Х18Н9Т |
0,84 |
0,15 |
|
Сталь 15Х12Н2МВФАБ |
0,7 |
0,25 |
|
1,7 |
0,3 |
|
|
Сталь ХН73МБТЮ |
0,81 |
0,14 |
|
1,3 |
0,15 |
|
|
Д16 |
0,82 |
0,09 |
|
ВТ8 |
0,56 |
0,16 |
|
5,8 |
0,4 |
|
|
ОТ4-0 |
0,74 |
0,11 |
|
1,3 |
0,18 |
|
Сталь 40Х |
Дюраль |
Бронза |
Нержавеющая сталь |
Рисунок 2.8.2 - Обработанные образцы деталей из различных материалов.
Типовые профилограммы поверхности металлов после БУФО приведены на рисунке 2.8.3.
а – независимый эксперимент, проведенный в 1993 году в Германии; б – независимый эксперимент, проведенный в 1995 году в США (поверхность после
обработки на верхнем графике, до – на нижнем).
Рисунок 2.8.3 - Профилограммы поверхностей деталей.
Причем, следует заметить, что размер деформирующего элемента – шарика влияет на достигаемую шероховатость: уменьшение диаметра рабочих шариков приводит к выглаживанию поверхности. Особенно это заметно на материалах с достаточно высокими характеристиками твердости (рис. 2.8.4).
а – до обработки; б – обработка инструментом с диаметром 3,2 мм;
в – обработка инструментом с диаметром 0,6 мм.
Рисунок 2.8.4 - Профилограммы поверхности образцов стали типа 16Mn0,5Cr.
Как показывает практика использования технологии БУФО с равным успехом можно получить шероховатость на уровне Ra=0,1 мкм при 200, 400, 600 оборотах вращениях детали (при установке комплекта на токарный станок), подачах 0,05 или 0,1 мм/об при амплитудах колебаний излучателя 5-25 мкм и статической силе в пределах 100-300 Н. Существуют оптимальные соотношения указанных параметров в соответствующих пределах, которые обеспечивают наиболее благоприятные условия для обработки. Выбор параметров обработки должен быть произведен с учетом мощности комплекта БУФО и особенностей акустических систем. Мощность ультразвукового излучателя при этом в значительной степени предопределяет возникающие напряжения в поверхностном слое, температуру и возможные структурные изменения металла. Параметры режима обработки зависят и от того, что нужно получить: более высокий класс шероховатости или повышение твердости поверхностного слоя. Зачастую с повышением качества поверхности эффектом упрочнения уменьшается, и наоборот.
В таблице 2.8.2 приведены сравнительные характеристики по значениям микротвердости поверхностного слоя Hμ, шероховатости Ra и остаточным сжимающим напряжениям для материалов после обкатывания шаром (ОШР) и ультразвуковой обработки (БУФО) при оптимальных режимах.
Производительность процесса БУФО находится на уровне чистового точения.
Таблица 2.8.2
Технологическая эффективность УЗО.
|
Обрабаты-ваемый материал |
Hμ, МН/м2 |
Ra, мкм |
, МН/м2 |
||||||
|
Исход-ное |
ОШР |
БУФО |
Исход-ное |
ОШР |
БУФО |
Исход-ное |
ОШР |
БУФО |
|
|
Железо Армко |
1100 |
2360 |
2800 |
4,30 |
0,12 |
0,13 |
- |
- |
- |
|
Сталь 45 |
2180 |
3900 |
5000 |
2,60 |
0,25 |
0,20 |
- |
- |
-1100 |
|
Чугун СЧ 21 |
2100 |
3600 |
4100 |
1,90 |
0,60 |
0,53 |
- |
-213 |
-377 |
|
Сталь У10А закаленная |
8600 |
10100 |
11800 |
0,30 |
0,22 |
0,18 |
+30 |
-600 |
-900 |
|
Сталь ШХ15 закаленная |
8400 |
9480 |
10300 |
0,35 |
0,23 |
0,14 |
- |
- |
- |
Изменения механических свойств, происходящие в металлах и сплавах при ультразвуковой обработке, вызваны изменением их структуры. Ультразвуковые колебания вызывают размножение, перемещение и взаимодействие несовершенств кристаллического строения: дислокаций, вакансий, примесных атомов. Механизм образования и перемещения несовершенств кристаллического строения, их взаимодействие, кинетика повышения плотности при ультразвуковой обработке значительно отличается от наблюдаемой при обычном пластическом деформировании. В металле практически отсутствуют зональные макронапряжения, микронапряжения и углы разориентировки блоков мозаики меньше, распределение дислокаций по объему металла равномернее, термическая устойчивость выше, чем у субструктуры, созданной пластической деформацией.
В некоторых металлах и сплавах при ультразвуковой обработке могут происходить процессы фазовых превращений, которые влияют на их прочность и твердость. Так, при ультразвуковой обработке сплава ВТ3-1 в специальном устройстве стальными закаленными шариками диаметром 2,5-3 мм, колеблющимися с амплитудой А=25-30 мкм в зазоре между излучателем и изделием величиной 4 мм происходит растворение частиц Ti3Al, изменение морфологии межфазных ГЦК-прослоек, увеличение плотности несовершенств кристаллического строения, в результате чего твердость сплава повышается с 4000 до 4520 МПа [10, с. 46]. В кобальте под влиянием ультразвуковой обработки происходит аллотропическое превращение его кубической модификации β в гексагональную α. В зависимости от количества образовавшейся гексагональной модификации кобальта изменяются его механические свойства. Степень β-α фазового превращения, происходящего при ультразвуковой обработке, определяется с помощью рентгеноструктурного и дилатометрического анализов. В необработанных образцах кобальта количество кубической и гексагональной модификации примерно равно. Ультразвуковая обработка значительно повышает количество кобальта гексагональной модификации и увеличивает интервалы α→β фазового превращения. Наибольшее количество α кобальта образуется на первых этапах обработки. Затем с увеличением продолжительности обработки прирост количества α кобальта замедляется и в интервале 300-7200 с. стабилизируется. После ультразвуковой обработки в течение 7200 с. происходит практически полное превращение β кобальта в α кобальт [10, с. 49, т. 2].
Таблица 2.9.1
Влияние продолжительности ультразвуковой обработки
на превращения α кобальта в сплаве ВТ3-1.
|
Продолжительность обработки, сек. |
Интервал α→β превращения, ˚С |
Количество α кобальта, % |
Интервал β→α превращения, ˚С |
|
0 |
450-495 |
62-63 |
295-245 |
|
30 |
450-495 |
79-80 |
300-245 |
|
60 |
450-495 |
88-89 |
305-250 |
|
300 |
450-495 |
90-91 |
315-255 |
|
3600 |
445-505 |
93-94 |
315-245 |
|
7200 |
445-510 |
99-100 |
310-240 |
|
После отжига |
450-495 |
50-51 |
195-245 |
Электромикроскопические исследования также показывают, что ультразвуковая обработка кобальта создает в нем структуру, отличную от структуры необработанного или статически деформированного образца. Так, структура кобальта после ультразвуковой обработки состоит, в основном, из большого количества кристаллов α кобальта и скоплений дефектов упаковки в β кобальте. По плотности расположения кристаллы α кобальта и скопления дефектов упаковки в β кобальте значительно превышают плотность в изделиях как до обработки, так и после статического деформирования. С помощью рентгеноструктурного анализа можно зарегистрировать уменьшение размеров зерен α и β кобальта.
В связующей фазе вольфрамокобальтовых твердых сплавов под воздействием ультразвуковой обработки происходят те же изменения, что и в кобальте. В исходном состоянии в сплаве ВК20 гексагональная модификация кобальта либо отсутствует вообще, либо содержится в количестве, не фиксируемом на дифрактометре. Ультразвуковая обработка изменяет фазовый состав твердых сплавов: увеличивает содержание α кобальта в связующей фазе твердых сплавов. При этом количество β кобальта, т.е. кубической модификации, падает. Для определения количества α кобальта в связующей фазе твердых сплавов, обработанных ультразвуком в течение различного времени, рекомендуется применять данные по модельному высококобальтовому сплаву ВК50 (таблица 2.9.2).
Таблица 2.9.2.
Влияние продолжительности ультразвуковой обработки
на превращения α кобальта в сплаве ВК50.
|
Продолжительность обработки, сек. |
Интервал α→β превращения, ˚С |
Количество α кобальта, % |
|
0 |
460-580 |
17-18 |
|
30 |
480-680 |
28-30 |
|
60 |
480-700 |
33-34 |
|
300 |
480-720 |
43-44 |
|
3600 |
520-760 |
47-48 |
|
7200 |
520-760 |
47-48 |
|
После отжига |
460-580 |
17-18 |
Закономерности протекания процессов, происходящих при ультразвуковой обработке в связующей фазе твердых сплавов и технически чистом кобальте аналогичны (рисунок 2.9.1), хотя в кобальте на первых этапах обработки образуется большее количество α кобальта, что связано с влиянием на фазовое β-α превращение в связующей фазе твердых сплавов растворенных в ней вольфрама и кобальта и существующих межфазных напряжений. Однако, учитывая незначительные отличия в закономерностях образцов α кобальта при ультразвуковой обработке этих материалов, можно, с некоторыми допущениями, считать, что в связующей фазе твердых сплавов наблюдаются те же структурные изменения, что и в технически чистом кобальте: повышение количества α кобальта, образование скоплений дефектов упаковки, измельчение структуры кобальтовых прослоек.
Рисунок 2.9.1 - Изменение содержания кобальта гексагональной модификации
в зависимости от продолжительности ультразвуковой обработки.
Ультразвуковая обработка в значительной степени влияет на распространение трещин в этих материалах при последующем воздействии на них как статических, так и динамических нагрузок. Так, полосы скольжения в карбидных зернах твердых сплавов, образовывающихся вследствие ультразвуковой обработки, изменяют направления распространения трещин, пересекающие такие полосы. В связующих фазах твердых сплавов распространение трещин тормозится скоплением дефектов упаковки, кристаллами α кобальта. Кобальтовые прослойки твердых сплавов, образованные ультразвуком, могут вообще приостановить распространение трещин при действии внешних сил, по величине достаточных для распространения трещин в этих объемах необработанных образцов.
Из теории разрушения, предложенной Гриффитсом, следует, что по мере распространения трещин и увеличения их размеров напряжения, необходимое для роста трещин, падает. В случае разрушения твердых сплавов, подвергшихся ультразвуковой обработке, трещина тормозится полосами скольжения в карбидных зернах, кристаллами α кобальта и скоплениями дефектов упаковки в β кобальте, т.е. ее длина не увеличивается самопроизвольно при напряжениях, достаточных для самопроизвольного распространения трещин в микрообъемах твердых сплавов, не обработанных ультразвуком. Т.о. ультразвуковая обработка упрочняет твердые сплавы: напряжение, необходимое для их разрушения, выше, чем для разрушения необработанных изделий.
Широкое применение вольфрамовых твердых сплавов практически во всех отраслях промышленности в условиях дефицита вольфрамового и кобальтового сырья предопределили появление работ, связанных с повышением прочности и долговечности твердосплавных изделий в спеченном состоянии. Кроме того, повышение требований к механическим характеристикам твердых сплавов обусловлено их применением при эксплуатации породоразрушающих инструментов, штампов, аппаратов высокого давления для синтеза сверхтвердых материалов и т.д., эксплуатация которых сопряжена с появлением высокого уровня напряжений, превышающих подчас предел текучести материала.
На основе установленных закономерностей изменения механических характеристик твердых сплавов в зависимости от их структуры, и, в частности, от свойств структурных составляющих карбида вольфрама и кобальтовой связки разработаны и используются в производственных условиях методы упрочнения твердосплавных изделий в спеченном состоянии.
Выделяют три основных группы методов упрочнения: поверхностное упрочнение, т.н. ППД ударным воздействием твердых тел; объемное упрочнение твердосплавных изделий термической обработкой; комбинированные методы, основанные на сочетании объемного упрочнения и последующей поверхностной обработки.
В основе упрочнения твердых сплавов ППД лежит необходимость изменения напряженного состояния поверхностного слоя изделий. После спекания в поверхностном слое твердосплавных изделий образуются остаточные напряжения растяжения, которые на поверхности достигают 1000 МПа и более. Обработка ведется твердосплавными или стальными шариками диаметром 8-10 мм. Основой вибрационного упрочнения является динамический характер протекания процесса, сопровождающийся множеством микроударов рабочей среды (шарики) о поверхность обрабатываемой детали и обеспечение пластической деформации поверхностного слоя, вследствие чего повышается его микротвердость, возникают остаточные напряжения сжатия, шероховатость поверхности уменьшается.
Процесс вибрационной обработки изделий позволяет совмещать операции их чистки и обезжиривания, что целесообразно при подготовке твердосплавных пластинок к пайке. Поэтому на практике упрочняющей виброобработке подвергаются сплавы, применяемые в горно-буровом и горно-режущем породоразрушаемом инструменте. Кроме того, в настоящее время вибрационную обработку используют как последующую после электроискровой обработки рабочих деталей штампов и фильер для снятия образующегося дефектного слоя, когда механическим способом этого не удается в силу сложной конфигурации изделий. Разнонаправленность действия упрочняющего агента при вибрационной обработке обеспечивает равномерное упрочнение изделий сложной формы.
Комбинированное упрочнение твердых сплавов, включающее термообработку и последующую вибрационную обработку, позволяет достичь наиболее высокие показатели механических характеристик (рисунок 2.10.1 и рисунок 2.10.2). В связи с повышением пластических характеристик твердого сплава при термической обработке последующая вибрационная обработка становится более эффективной, т.к. остаточные напряжения сжатия в этом случае распространяются на большую глубину – 0,15…0,2 мм. Это способствует замедлению развития трещин от деформаций в поверхностном слое и, следовательно, повышению прочности и долговечности твердого сплава. Вибрационная обработка образцов, подвергшихся предварительной термической обработке, увеличивает их долговечность примерно в 2 раза по сравнению с долговечностью образцов, подвергшихся только вибрационной обработке. Увеличение прочности при изгибе и ударной вязкости в результате комбинированного упрочнения достигает 25 и 50% соответственно, работоспособность повышается в 1,3-1,6 раз.
Рисунок 2.10.1 - Остаточные напряжения в сплаве ВК15 после различных видов обработки.
Рисунок 2.10.2 - Кривые выносливости сплава ВК15 после различных видов обработки.
Методы окончательной обработки создают необходимую форму поверхностей детали с заданной точностью, но не всегда обеспечивают оптимальное качество поверхностного слоя. В таком случае используют методы поверхностного пластического деформирования (ППД), при котором происходит тонкое пластическое деформирование поверхностного слоя. Существуют три основных класса методов ППД: статические, динамические и комбинированные.
Ультразвуковая обработка относится к ударным методам ППД. Ее сущность заключается в воздействии на обрабатываемую поверхность стального или твердосплавного шарика, прижимаемого к ней с постоянной силой и вибрирующей частотой порядка 15-20 кГц. Такой обработке можно подвергать детали из сталей, чугуна, твердых сплавов и цветных металлов и их сплавов. Обработка не требует специального оборудования, проводится в условиях единичного и серийного производства.
Результаты применения метода БУФО следующие: снижение шероховатости (с 5 до 9-14 класса за один проход деформирующего инструмента), повышение микротвердости (на 30-300%), увеличение уровня сжимающих напряжений, повышение контактной выносливости (на 10-20%) и коррозионной стойкости детали, формирование благоприятного микрорельефа, что повышает удержание масел и смазок и дополнительно снижает износ сопрягаемых поверхностей.
Влияние ультразвуковых колебаний на механические свойства металлов и сплавов зависит от химического состава, структуры состояния материала, режимов обработки (диаметра и числа деформирующих элементов, амплитуды колебаний, расстояния от излучателя до поверхности), частоты колебаний, величины динамических напряжений, возникающих в конкретных объемах металлов, температуры и продолжительности ультразвуковой обработки.