Ультразвуковое упрочнение (УЗУ)

Безабразивная ультразвуковая финишная обработка (БУФО), ультразвуковая импульсная упрочняюще-чистовая обработка

Соседние разделы:

  • Безабразивная ультразвуковая финишная обработка (БУФО) ультразвуковая импульсная упрочняюще-чистовая обработка
  • Ультразвуковое чистовое точение металлов, сверление, зенкерование, развертывание отверстий и нарезание резьб

Применение современных машин и механизмов, работающих на больших скоростях и со значительными нагрузками, требует от конструкторов и технологов решение проблемы повышения срока их службы и, соответственно, срока службы отдельных деталей, входящих в состав машин и механизмов.

Качество поверхностного слоя является одним из главнейших факторов определяющих долговечность деталей машин и механизмов. Тщательно обработанная общеизвестными способами поверхность сопрягаемых деталей является носителем остаточных макро- и микронапряжений, усталостных макро- и микротрещин, шаржированных зерен абразива и прочих дефектов. Для повышения прочности и износостойкости деталей необходимо применять методы обработки, улучшающие физические свойства, структуру и микрогеометрию поверхности.

Известны следующие классические способы улучшения качества поверхности, получившие максимальное распространение:

  • дробеструйная обработка, микротвердость поверхности увеличивается незначительно, поверхностная шероховатость практически не уменьшается, усталостная прочность увеличивается в 1.5 раза и более;
  • обкатывание шаром или роликом, микротвердость поверхности увеличивается на 40 – 60%, шероховатость снижается, ориентировочно, с 5 до 10 класса, обычно требуется несколько проходов инструмента по обрабатываемой детали, образуется наклеп значительной толщины;
  • дорнование, микротвердость поверхности увеличивается на 25 – 35%, шероховатость снижается, ориентировочно, с 5 до 9 – 11 класса, незначительный наклеп, до 1 мм ;
  • чеканка, микротвердость поверхности увеличивается на 20 – 70%, толщина наклепа может быть до 20 – 25 мм , усталостная прочность увеличивается на 50 – 100%, срок службы деталей увеличивается в 2 и более раза;
  • упрочнение взрывной волной, микротвердость поверхности увеличивается на 60 – 70%, толщина наклепа может быть до 40 – 50 мм , что недостижимо никакими другими методами, но применение связано с известными технологическими трудностями и не всегда возможно.

Безабразивная ультразвуковая финишная обработка (БУФО)

Проблема создания эффективных методов упрочнения поверхностей деталей, является одной из самых важных в машиностроении. Большинство деталей работает в условиях интенсивного износа, при высоких контактных нагрузках и неблагоприятных условиях воздействия окружающей среды. Одним из наиболее эффективных способов упрочнения деталей является поверхностное пластическое деформирование (ППД), сущность которого заключается в том, что деформирующий элемент (индентор) прижимается к поверхности обрабатываемого изделия. В результате пластической деформации поверхностного слоя увеличивается твердость, образуются сжимающие напряжения, снижается шероховатость, что благоприятно влияет на ресурс деталей.

ППД ультразвуковым инструментом, которое в технической литературе имеет несколько названий: безабразивная ультразвуковая финишная обработка (БУФО), ультразвуковая финишная обработка (УФО), ультразвуковая импульсная упрочняюще-чистовая обработка), вследствие своих особенностей (высокой частоты, силы ударов) ведет к более существенному изменению микроструктуры поверхностного слоя. Кроме того отличительной особенностью БУФО от других известных методов пластического деформирования является значительная скорость деформации. При таком динамическом воздействии на металл изменяются его механические свойства: увеличивается усталостная прочность, пределы текучести и прочности, сопротивляемость износу на истирание, коэффициент отражения света; уменьшаются относительные удлинение и сужение, электропроводность, магнитная проницаемость, теплопроводность, коэффициент затухания поверхностных звуковых волн; увеличивается коррозионная стойкость.

Комплекс для ППД состоит из ультразвукового генератора, ультразвукового инструмента, соединительного кабеля и эксплуатационной документации.

Инструмент представляет собой ультразвуковую колебательную систему, состоящую из ультразвукового магнитострикционного преобразователя и волновода-концентратора, к торцу которого присоединяется индентор. В процессе упрочняющей обработки инструмент прижимается к обрабатываемой поверхности (рис.1).

Экспериментальные исследования показали, что в процессе обработки между деформирующим элементом и обрабатываемой поверхностью возникает периодический контакт с частотой ультразвуковых колебаний. В момент контакта мгновенные напряжения существенно выше средних, что вызывает значительную пластическую деформацию. Также как и для других методов поверхностного деформирования (выглаживание, обкатывание, дорнование и др.) в результате обработки уменьшается шероховатость поверхности.

Рис. 1. Схема поверхностного пластического деформирования при ультразвуковой упрочняющей обработке

В целом процесс ультразвуковой обработки характеризуется следующими факторами:

  • формой и радиусом r рабочей части инструмента, мм;
  • амплитудой колебаний индентора, 2А;
  • величиной силы прижима инструмента к детали Рст, кгс;
  • величиной динамического воздействия Р, Н;
  • подачей S, мм/оборот;
  • числом прохода инструмента i;
  • окружной или линейной скоростью заготовки V, м/мин;
  • применяемой смазочно-охлаждающей жидкостью (СОЖ).
  1. Абрамов О.В., Абрамов В.О., Артемьев В.В., Градов О.М., Коломеец Н.П., Приходько В.М., Эльдарханов А.С. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении. – М.: Янус-К, 2006. 687с. (при необходимости монографию можно приобрести в ООО “Ультразвуковая техника-ИНЛАБ”)

Ультразвуковая импульсная упрочняюще-чистовая обработка

Впервые информация и материалы об этом способе обработки появились в работах проф. 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., проф. Холопова Ю.В. Другое название этого способа металлообработки – “Безабразивная ультразвуковая финишная обработка” – БУФО. Основываясь на работах проф. Муханова И.И. и творчески их развивая, применяя современные ультразвуковые генераторы и ультразвуковые преобразователи собственной разработки, наше предприятие, ООО “Ультразвуковая техника – ИНЛАБ”, разработало, изготавливает и поставляет комплект ультразвукового оборудования ИЛ – 4 для проведения ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки с 1996 года. Схема применения данного метода обработки приведена на рис. 2.

Рис. 2.

Ультразвуковая обработка 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:

  • микротвердость поверхности, в зависимости от исходной и вида обрабатываемого металла, возрастает на 30 – 300%;
  • шероховатость снижается с 5 до 9 – 14 класса, данное качество поверхности можно получать не только на термически обработанных и сырых сталях, но и на чугунах, на цветных и нержавеющих металлах и сплавах;
  • толщина наклепа может быть до 0.1 мм , в отдельных случаях возможно реализовать режим холодной проковки с толщиной наклепа до 15 – 20 мм;
  • оптимально сочетая статическую и динамическую составляющую силы ультразвуковой обработки, можно превысить предел текучести обрабатываемого металла, и, тем самым, проводить коррекцию геометрии обрабатываемой детали;
  • предел контактной выносливости повышается на 10 – 20%;
  • отсутствие шаржированных в поверхность зерен абразива увеличивает до 2 раз срок службы сопряженных деталей ( пар скольжения, уплотнительных сальников, сальниковой набивки и т.д. ), появляется возможность с помощью ультразвуковой обработки изготавливать детали для пищевой промышленности ( дозаторы и т.д. ), для любых машин и механизмов, для которых наличие абразива в технологической зоне недопустимо;
  • регулярный микрорельеф повышает свойство удержания обработанной поверхностью масел и смазок;
  • регулярный микрорельеф дополнительно снижает износ при возвратно-поступательном характере движения относительно друг друга сопрягаемых деталей;
  • повышается коррозионная устойчивость обработанной поверхности.

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.

На рис.3 приведено фото применения ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки внешней поверхности тел вращения на токарном станке.

На рис.3-1 применение ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки внешней поверхности с помощью 3-d привода в автоматизированном режиме (разработка 2019 года).

Рис. 3Рис. 3-1

Ультразвуковой инструмент, разработки и производства компании “Ультразвуковая техника – ИНЛАБ”, рис.4 , позволяет производить обработку деталей не только цилиндрической формы, но и допускает возможность обработки деталей с эксцентриситетом до + 5 мм.

Рис. 4.

Ультразвуковую упрочняюще-чистовую обработку следует рассматривать как не размерную, финишную. Величина необходимых припусков определяется экспериментально, в зависимости от конкретных технологических параметров обработки. В общем случае можно сказать, что размеры деталей практически не изменяются.

Индентор через некоторое время работы необходимо заправить, заправка инструмента производится самим пользователем и не представляет большого труда.

Производительность ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки определяется теми же факторами, что и обработка резаньем в штатном режиме.

Большое значение может иметь и то, что появляется возможность исключить из технологической цепочки при обработке деталей некоторые операции и станки. Применение комплекта ультразвукового оборудования И – 4 для ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки внешней поверхности тел вращения на токарном станке, разработки “Ультразвуковая техника – ИНЛАБ”, не предполагает, за некоторыми исключениями, необходимость разработки специальной технологии применения данного оборудования в промышленных условиях. Достаточно одного дня совместной работы квалифицированных специалистов, технолога и токаря, чтобы освоить данный инструмент и его применение. Затем работа с ультразвуковым оборудованием, в первом приближении, ничем не будет отличаться от штатной работы токаря с резцами.

Ультразвуковая установка И – 4 состоит:

  • ультразвуковой генератор И10-, выходная мощность 630 Вт (модификация 4/1) или 2000 Вт (модификация 4/2), ступенчатая регулировка мощности 100%, 75% и 50% номинальной, рабочая частота 22 + 10% кГц , питание 220 В 50 Гц ;
  • ультразвуковой инструмент, зажимаемый в резцедержку токарного станка, основа инструмента – магнитострикционный ультразвуковой преобразователь со сменным инструментом-индентором;
  • три сменных индентора;
  • соединительный кабель длиной 4 м;
  • паспорт на ультразвуковой генератор и паспорт на установку И – 4

Гарантия на ультразвуковой генератор и инструмент – 1 год непрерывной работы. Стойкость индентора зависит от обрабатываемого материала и режимов обработки. Индентор допускает многократную заправку пользователем.

Ультразвуковая установка И – 4 является универсальным комплектом ультразвукового оборудования, пригодным для широкого применения в приборостроении и в машиностроении, и может быть заказана, изготовлена и поставлена заказчику без дополнительного согласования технических параметров ультразвукового оборудования.

Все, выше сказанное, относится к ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки внешней поверхности тел вращения на токарном станке.

Ультразвуковая установка для обработки внутренней поверхности тел вращения, отверстий, на токарном станке не столь универсальна. При создании ультразвукового оборудования для этого применения возникает ряд технологических ограничений. Необходимость ввести в отверстие сложный ультразвуковой волновод налагает ограничения на минимальный диаметр и на максимальную глубину прохода обрабатываемого отверстия. На рис. 5 представлены установки для обработки отверстий тел вращения на минимальный диаметр 60 и 70 мм и максимальную глубину прохода 250 и 500 мм.

Рис. 5.

Изготовление и поставка ультразвуковых установок для обработки внутренних поверхностей тел вращения на токарном станке требует предварительного согласования технических параметров.

Также реализован способ ультразвуковой обработки (полировки) плоских поверхностей. Инструмент для установки во фрезерный станок приведен на рис.6.

Рис. 6.

На рис.7. приведены обработанные образцы деталей из различных материалов.

Обработка листа δ=1,0 мм
Марка AISI 321 (08Х18Н10Т)
Выполнено на токарном станке
Обработка листа δ=10,0 мм
Марка AISI 321 (08X18H10T)
выполнено на фрезерном станке
Сталь 40ХДюральБронзаНержавеющая сталь

Рис. 7.

Рис. 8.

На рис. 8 приведены варианты различного исполнения инденторов.

Рис. 9.

На рис. 9 показан инструмент для БУФО на карусельных станках.

Рис. 10.

На рис. 10 приведен инструмент для БУФО отверстий на токарных станках.

Рис. 11.

На рис. 11 показан волновод с инденторами для БУФО внутренних поверхностей.

Используя многолетний опыт реализации ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки, наше предприятие разработало и изготовило установку производящую Ультразвуковое упрочнение и коррекция резьб насосно-компрессорных труб. В этой установке метод ультразвукового упрочнения применен для повышения качества и улучшения характеристик сложной геометрической поверхности, резьбы.

При помощи ультразвукового оборудования, разрабатываемого и выпускаемого фирмой “Ультразвуковая техника – ИНЛАБ”, возможно получение нужного Вам результата недостижимого никакими другими способами и методами. Все выпускаемое оборудование защищено патентами России.

Россия, Санкт-Петербург,
Телефон: (812) 329-4961
Тел./факс: (812) 329-4962

Ультразвуковая обработка материалов

Ультразвуковые колебания (У.З.) — это упругие волны, распространяющиеся в материальных средах (твердых телах, жидкостях, газах).

По частоте УЗ распространяются от верхней границы диапазона слышимости звуков (≈ Гц) до частоты Гц Упругие колебания во всех диапазонах частот – звуковых и УЗ – подчиняются одним и тем же физическим законам, но в средах, где распространяются УЗ колебания, возникают специфические эффекты, которые во многих областях техники используются для интенсификации различных процессов.

УЗ применяют также как средство для получения информации при измерении глубины и для обнаружения дефектов в изделиях, он позволяет определять изменение химического состава вещества, вязкость полимерного материала. В медицине УЗИ — для определения пола новорожденного.

С помощью УЗ производят поверхностное упрочнение, размерную обработку, очистку, сварку металлических и неметаллических материалов, пайку, пропитку пористых материалов и тканей, прессование и спекание порошков, дегазацию и т.д.

При УЗО используются колебания электромагнитного поля с УЗ частотой в пределах 18…44 (16…30) кГц. Амплитуда колебаний сердечника составляет 5…10 мкм. Для увеличения амплитуды колебаний к сердечнику крепят длинный тонкий стержень-концентратор (резонансный волновод переменного поперечного сечения), что позволяет получить амплитуду колебаний его торца до 50…80 мкм. К концентратору крепят рабочий инструмент-пуансон.

Существует несколько схем размерной обработки заготовок.

Размерная обработка заготовок из твердых хрупких материалов абразивными зернами, движущимися за счет действия УЗ инструмента.

Данный способ применяется для обработки стекла, керамики, ситаллов, кремния, германия, то есть для материалов, обработка которых другими методами затруднена.

Под пуансоном-инструментом 3 устанавливают заготовку 5 и в зону обработки под давлением подают абразивную суспензию, состоящую из воды и абразивного материала: карбида бора, карбида кремния или электрокорунда.

Инструмент поджимают к заготовке с силой 1…60 H. Обработка заключается в том, что инструмент 3, колеблющийся с УЗ частотой, ударяет по зернам абразива 4, лежащим на обрабатываемой поверхности, со статической силой =30…200 Н; абразивные зерна скалывают частицы материала заготовки 5. Большое число одновременно ударяющихся абразивных зерен, а также высокая частота повторения ударов (до 30 тыс. раз в с.) обусловливает интенсивный съем материала.

Рисунок 5.23. Схема прошивания отверстий

1 – УЗ преобразователь; 2 – концентратор; 3 – инструмент — пуансон; 4 – суспензия абразивная; 5 – заготовка; 6 – ванна; 7 – насос; 8 – патрубок; 9 – источник тока; 10 – генератор УЗ частоты.

Кавитационные явления в жидкости способствуют интенсивному перемешиванию абразивных зерен под инструментом, замене изношенных зерен новыми, а также разрушению обрабатываемого материала.

Читайте также:  Устройство балансирной подвески

Прокачивание суспензии насосом исключает оседание абразивного порошка на дне ванны и обеспечивает подачу в зону обработки абразивного материала.

Между пуансоном и заготовкой обеспечивают постоянный зазор 50…80 мкм.

Сообщая инструменту и заготовке различные виды подач (продольную, поперечную) и меняя профиль сечения инструмента, можно прошивать глухие и сквозные отверстия, обрабатывать плоскости, углубления, пазы при прямом и обратном копировании, разрезать заготовки больших размеров, обрабатывать криволинейные и кольцевые пазы по копиру, производить шлифование и полирование.

Рисунок 5.24. Схема разрезки непрофилированным инструментом – тонкой проволокой. 1,7 – катушки; 2 – концентратор; 3 – преобразователь; 4 – проволока — инструмент; 5 – сопло для подачи суспензии; 6 – заготовка.

Принцип работы следующий. Ультразвуковой концентратор 2, соединенный с преобразователем 3, возбуждает колебания в проволоке-инструменте 4, перематываемой с катушки 1 на катушку 7. Заготовка 6 прижимается с небольшим усилием к проволоке 4, а в зону их контакта подается абразивная суспензия из сопла 5.

Рис. 5.25. Станок ULTRASONIC 20 linear

для высокоточной электрохимической обработки

По такой схеме производят контурное вырезание, обработку пазов и щелей, разрезание заготовок. На рисунке 5.25. представлен образец современного ультразукового станка для высокоточной обработки.

Интенсификация процессов резания при сообщении вынужденных УЗ колебаний металлическим или абразивным режущим инструментом.

Рисунок 5.26. Схема резания. 1 – заготовка; 2 – инструмент; 3 – концентратор; 4 – УЗ преобразователь.

На режущий инструмент 2 подаются УЗ колебания от концентратора 3, соединенного с УЗ преобразователем 4. Режущему инструменту сообщается продольная подача. Заготовка 1 имеет продольную подачу и вращение. В место контакта инструмента и заготовки подается абразивная суспензия.

Такой способ используется при сверлении, зенкеровании, развертывании, нарезании резьб в труднообрабатываемых материалах; при точении и зубодолблении заготовок из вязких металлов, при шлифовании, абразивно-алмазной доводке.

Ультразвуковая обработка позволяет повысить производительность, качество поверхностного слоя, снизить силы резания и крутящий момент. (Например, при нарезании резьбы метчиками крутящий момент уменьшается на 25…50%).

Ультразвуковое упрочнение поверхности – это чистовая обработка. Ультразвуковой инструмент 2 выполнен в виде шарика, который связан с концентратором 3 колебаний, поступающих от преобразователя 4.

Рисунок 5.27. Схема ультразвукового упрочнения

1 – заготовка; 2 – инструмент; 3 – концентратор; 4 – преобразователь.

Шарик 2 может быть жестко закреплен (припаян), но может и не иметь жесткого контакта с концентратором.

Инструмент прижимается с небольшим усилием к вращающейся заготовке 1. Ультразвуковые колебания значительно снижают сопротивление пластической деформации поверхностного слоя заготовки 1, который приобретает наклеп.

Особенно эффективен этот способ при изготовлении нежестких тонкостенных деталей.

Обработка мелких деталей свободным абразивом применяется в основном для снятия заусенцев.

Детали 3 помещаются в ванну 1, в которую заливается абразивная суспензия 2. Ультразвуковые колебания в жидкости возбуждаются инструментом 4, торец которого служит дном ванны. Инструмент соединен с УЗпреобразователем 6 через концентратор 5.

Детали 3 находятся в жидкости во взвешенном состоянии. Для ускорения процесса к жидкости прикладывают статическое давление . Удаление заусенцев происходит в результате кавитационного разрушения и обработки абразивными зернами.

Чтобы спроектировать технологический процесс, рационально конструировать аппаратуру, необходимо знать физический механизм воздействия УЗ колебаний, уметь правильно подобрать, а при необходимости рассчитать УЗ преобразователь: рассчитать, спроектировать и изготовить рабочие инструменты.

Рисунок 5.28. Схема обработки свободным абразивом

1 – ванна; 2 – абразивная суспензия; 3 – деталь; 4 – инструмент; 5 – концентратор; 6 – преобразователь.

Процесс ультразвуковой размерной обработки зависит от многих технологических параметров, как правило, взаимно влияющих один на другой — твердости и концентрации абразива, частоты и амплитуды колебания инструмента, его износа, статической нагрузки.

Каждый из этих факторов влияет на производительность и качество изготовления.

Материал заготовки в значительной степени определяет характер его разрушения. Все материалы по характеру деформации и разрушения при УЗО разделены на три группы. В основу этого деления положен критерий хрупкости — . Это есть отношение сопротивления сдвигу к временному сопротивлению на разрыв.

Первая группа, — стекло, кварц, ситалл, керамика, германий, кремний, ферриты. При УЗО они практически не подвергаются пластической деформации.

Вторая группа, 1 1 происходит главным образом не внедрение зерен в обрабатываемую поверхность, а их дробление.

Если амплитуда колебаний мала, а зерна абразива крупнее 2 ∙Рст) а ∙f в , мм 3 /мин

Где – коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала и абразивной суспензии;

А – амплитуда колебаний инструмента, мкм;

– сила подачи, H;

f – частота колебаний, Гц;

а и в – показатели степени, зависящие от условий обработки (а=0,5…1; в=0,5…1).

Чем выше твердость абразива и размер зерен, тем больше съем материала и производительность (учитывает коэффициент ).

Оптимальная сила подачи подбирается обычно экспериментально и составляет при размерной обработке =30…200 H.

Давление прижима инструмента составляет в среднем 0,1…1 МПа. Здесь S — площадь торца инструмента.

Производительность обработки зависит от глубины и площади обрабатываемого отверстия, что отражается в значениях показателей степени а и в.

Продольный и поперечный износ инструмента влияет на производительность (так как амплитуда колебаний уменьшается).

Амплитуда колебаний уменьшается и при увеличении площади инструмента. Если площадь больше, то хуже условия циркуляции абразива. Повысить производительность можно различными способами.

Улучшение условий циркуляции абразивной суспензии:

— периодически поднимать и опускать инструмент;

— подвод суспензии через полый концентратор;

— подвод суспензии фонтаном снизу;

— применение инструмента с кольцевыми и спиральными канавками на боковых поверхностях;

— применение инструмента с обратной конусностью;

— прокачка суспензии под давлением (0,1…0,5 МПа);

— вращение заготовки или инструмента во время обработки;

— создавая эксцентриситет осей вращения инструмента и заготовки.

Увеличение скорости главного движения (продольных колебаний инструмента) за счет применения материалов с высоким сопротивлением усталости.

Для увеличения сопротивления усталости проводят: дробеструйный наклеп, гидрополирование, ультразвуковую обработку.

В настоящее время широко применяется ультразвуковая обработка алмазным инструментом.

Ультразвуковое упрочнение деталей ГТД Текст научной статьи по специальности « Технологии материалов»

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Александров М. К., Папшева Н. Д., Акушская О. М.

Приведены результаты исследования ультразвукового упрочнения свободными шариками лопаток ГТД из титановых сплавов. Показано влияние ультразвука на физико-механические и эксплуатационные характеристики.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Александров М. К., Папшева Н. Д., Акушская О. М.

ULTRASONIC HARDENING OF PARTS GTE

The results of the study of ultrasonic hardening of free samplesfrom the balls of titanium alloys. Shows the effect of ultrasound on the physical, mechanical and operational characteristics.

Текст научной работы на тему «Ультразвуковое упрочнение деталей ГТД»

УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ГТД

©2011 М. К. Александров, Н. Д. Папшева, О. М. Акушская

Самарский государственный технический университет

Приведены результаты исследования ультразвукового упрочнения свободными шариками лопаток ГТД из титановых сплавов. Показано влияние ультразвука на физико-механические и эксплуатационные характеристики.

Ультразвук, упрочнение, остаточные напряжения, усталостная прочность.

Эффективным направлением повышения эксплуатационных характеристик деталей ГТД (лопаток компрессорной турбины) является поверхностное пластическое деформирование, осуществляемое различными методами, к числу которых относятся гидродробеструйное и пневмодробеструйное упрочнение, упрочнение микрошариками. Данные методы характеризуются отсутствием жесткой связи деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью, имеют невысокую производительность и создают неблагоприятные условия на рабочих местах. Более эффективным способом повышения эксплуатационных характеристик изделий является ультразвуковое упрочнение (УЗУ) свободными шариками, которое производится в специальной рабочей камере, где под действием ультразвукового поля хаотично перемещаются под действием ультразвука шарики [1]. Особенностью ультразвукового упрочнения является то, что положительный эффект достигается за счет многократности микросоударений при отсутствии заданной траектории, что позволяет упрочнять тонкостенные детали сложной конфигурации и обеспечивает более равномерный характер поверхностной деформации [2].

Определены оптимальные режимы упрочнения, которые находятся в пределах: амплитуда колебаний ¿=10. 30мкм, диаметр шариков ^ш=1,5. 3 мм, время обработки *=100. 200 с.

Ультразвуковое упрочнение свободными шариками приводит к формированию в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений в образцах из титановых сплавов ВТ 9 от 4 до 450.. .500 МПа с глуби-

ной залегания 250.350 мкм. Увеличение продолжительности обработки до 150с ведет к росту оТ. При этом область максимальных напряжений располагается на некотором расстоянии от поверхности (рис. 1).

1 .:4-| . ЩШШЯ Ибо ‘0Щ

.194.482′ ШМ 9(6.-369 1® «ЯК

Рис. 1. Распределение интенсивности напряжений после ультразвукового упрочнения сплава ВТ9

Изучение особенностей влияния ультразвукового упрочнения и накатывания шариком на тонкую кристаллическую структуру титановых сплавов ВТ3-1, ВТ9, ОТ4 проводилось на образцах после точения, шлифования, а также в отожженном состоянии [3].

Исследования показали, что ультразвуковое упрочнение вызывает дополнительное уширение рентгеновских интерференционных линий после всех видов обработки. При этом увеличение деформационного упрочнения, определяемое относительным ушире-нием рентгеновских линий на отожженных образцах, происходит более интенсивно. На это, в частности, указывает тот факт, что уровень размытия рентгеновских интерференционных линий в образцах, упрочненных после отжига, ниже, чем в упрочненных после точения. Это связано с тем, что при уп-

рочнении образцов после точения реализуется субструктурное состояние с более мелкими блоками и большими микроискажениями кристаллической решетки.

Известно, что прохождение ультразвуковых волн через кристалл вызывает активацию дислокаций. При пластическом деформировании в ультразвуковом поле часть активированных дислокаций становится подвижной, что вызывает локализованную пластическую деформацию. В предварительно точеных образцах доля подвижных дислокаций меньше вследствие большого количества препятствий. Это вызывает своеобразное субструктурное упрочнение за счет более мелких блоков с наибольшими микроискажениями внутри них. При УЗУ отожженных образцов движение активизированных ультразвуком дислокаций не тормозится препятствиями, в связи с чем длина их свободного пробега больше и, следовательно, степень упрочнения ниже.

Анализ распределения уширений линий по глубине показал, что в отожженных образцах наиболее интенсивное деформационное упрочнение после ультразвуковой обработки распространяется до глубины 150.. .200 мкм, а в точеных – до 80.. .100 мкм.

Проведенные исследования позволили установить, что ультразвуковое упрочнение свободными шариками титановых сплавов ВТ3-1, ВТ9 и ОТ4 сопровождается дроблением блоков мозаики, значительным развитием микроискажений и увеличением плотности дислокаций.

Изменение размеров блоков, а также уменьшение микроискажений и плотности дислокаций при ультразвуковом упрочнении связаны с поглощением акустической энергии в местах элементарных пластических сдвигов, что приводит к локальному нагреву, снятию напряжений, разблокировке дислокаций, увеличению их подвижности. Все эти факторы, характеризующие в общем ра-зупрочняющее действие ультразвука, способствуют также более равномерной пластической деформации в процессе упрочнения. Эффект разупрочнения подтверждается измерением микротвердости поверхностного слоя образцов из сплава ВТ9. Результаты этих исследований показали, что степень

деформационного упрочнения при ультразвуковом упрочнении свободными шариками примерно на 10% меньше, чем при накатывании шариком, хотя остаточные напряжения имеют близкие значения.

Исследование влияния ультразвукового упрочнения и накатывания шариком на фазовый состав поверхностного слоя титановых сплавов ВТ3-1, ВТ9, ОТ4 показало, что наибольшие фазовые превращения при упрочнении происходят в отожженных образцах. Так, при ультразвуковом упрочнении и накатывании шариком образцов из сплава ВТ3-1 в отожженном состоянии содержание Ь-фазы на поверхности уменьшилось с 20 до 12% и глубина фазовых превращений при этом составляла 100.150 мкм. При упрочнении точеных образцов количество ^-фазы уменьшилось с 10 до 4.5% .

Сплав ВТ9 в отожженном состоянии содержал 17% ^-фазы, в результате накатывания шариком и ультразвукового упрочнения количество ^-фазы на поверхности уменьшилось до 8-9% и фазовые превращения наблюдались до глубины 100 мкм. Анализ интегральных интенсивностей линий а и Ь – фаз отожженного сплава ОТ4 показывает, что ультразвуковое упрочнение сопровождается Ь ® а превращениями. Исследования показали, что основной причиной этих превращений является силовой фактор, это относится и к другим видам механической обработки.

Распад метастабильной Ь-фазы под воздействием пластической деформации приводит к изменению характера эпюр остаточных напряжений, что объясняется различной плотностью фаз. Поскольку плотность Ь-фазы меньше плотности а – фазы, Ь ® а превращения вследствие уменьшения объема в поверхностном слое должны способствовать смещению эпюры остаточных напряжений в сторону положительного знака. У сплава ОТ4 величина тангенциальных и осевых сжимающих остаточных напряжений на 100.150 МПа выше, чем у сплавов ВТЗ-1, ВТ9, а количество свободной Ь-фазы в исходном состоянии не превышает 4. 5%.

При ультразвуковом упрочнении под действием внешних сил происходит интенсивная пластическая деформация, которая

определяется его физико-механическими характеристиками. Исследование напряженно-деформированного состояния в зоне контакта проводили в программном комплексе АКБУБ с использованием метода конечных элементов. Результаты определения интенсивности деформаций е, в зависимости от усилия упрочнения показали, что с увеличением последнего при накатывании шариком е1 возрастает до 0,12 при УЗУ и до 0,096 при накатывании шариком. Это связано с тем, что скорость деформирования при УЗУ значительно выше, что является следствием быстрого распространения фронта давления, локализованного в небольшом объеме. Как известно, высокоскоростная и квазистатическая деформации по разному воздействуют на кристаллическую решетку. При высокоскоростной деформации имеет место перераспределение влияния отдельных факторов на физико-механические характеристики материала. Поэтому ультразвуковое упрочнение характеризуется более мелкозернистой структурой и высокой плотностью дислокаций. Наибольшие значения интенсивности напряжений и деформаций находятся на некотором расстоянии от поверхности, что связано с локализацией в этой области максимальных касательных напряжений.

Электронно-микроскопические исследования показали, что максимальный распад /-фазы наблюдается на поверхности образца и достигает глубины 100 мкм.

Как видно из представленных снимков (рис. 2,а) у образцов в исходном состоянии четко различаются две фазы: светлая а-фаза и темная, в виде полос, /-фаза. В результате ультразвукового упрочнения на поверхности наблюдаются интенсивные фазовые превращения, о чем свидетельствует значительное дробление и расслоение границ /-фазы (рис. 2, б).

Аналогичная картина наблюдается и на глубине 50 мкм (рис. 2,в). На расстоянии 100 мкм от поверхности интенсивность фазовых превращений, как и в случае рентгенографического анализа, незначительна (рис. 2, г).

Таким образом, электронно-микроскопические исследования подтвердили данные рентгенографического анализа и свидетель-

ствуют о наличии /3 ® а превращений в поверхностном слое.

Рис. 2. Фазовые превращения в образцах из сплава ВТ9: а- поверхность в исходном состоянии; б – после УУ; в – после УУ на глубине 50 мкм; г – после УУ на глубине 100 мкм

Читайте также:  устройство автомобиля

Одним из показателей, характеризующих долговечность деталей ГТД, является усталостная прочность.

Как известно, усталостная прочность металлов в значительной степени определяется уровнем энергии, которую способны аккумулировать микрообъемы поверхностных слоев до насыщения. Оптимальным структурным состоянием материала является наличие такой структуры, которая обеспечивает наибольшую равномерность поглощения энергии кристаллической решетки в процессе деформирования. При этом необходимо также учитывать характер распределения дислокаций и их плотность. Равномерное распределение дислокаций по объему металла обеспечивает однородное поглощение механической энергии в процессе деформирования, а увеличение плотности дислокаций приводит к возрастанию средней величины поглощенной энергии. Этому, в частности, способствует ультразвуковое упрочнение, приводящее к повышению общей энергоемкости поверхностного слоя и, как следствие, увеличению циклической прочности.

Исследования энергетического состояния поверхностного слоя методом экзоэлек-тронной эмиссии (ЭЭЭ) позволили установить, что ультразвуковое упрочнение приводит к значительным изменениям энергоемкости поверхностного слоя.

Сканограммы косых шлифов на исходных образцах, приведенные на рис. 3,а показывают, что наибольшая эмиссия зафиксирована на поверхности образцов.

По мере перемещения светового зонда по шлифу эмиссия уменьшается и на глубине 0,05.0,1 мм наблюдается её резкий спад. Повышенная эмиссия на поверхности обусловливается тем, что в процессе изготовления образцов поверхностный слой был деформирован, и при отжиге, по-видимому, произошла частичная рекристаллизация этого слоя.

Иной характер имеют сканограммы образцов после ультразвукового упрочнения свободными шариками. В частности, здесь наблюдается значительное увеличение ЭЭЭ до 2,7-104. 3,5-104имп/с (рис. 3,б).

Метод ультразвукового упрочнения поверхностей узлов и деталей авиационных газотурбинных двигателей как одна из перспективных технологий в авиастроении

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 09.11.2015 2015-11-09

Статья просмотрена: 1504 раза

Библиографическое описание:

Коновалов Д. И., Ширваньянц Г. Г. Метод ультразвукового упрочнения поверхностей узлов и деталей авиационных газотурбинных двигателей как одна из перспективных технологий в авиастроении // Молодой ученый. — 2015. — №22. — С. 141-147. — URL https://moluch.ru/archive/102/23126/ (дата обращения: 11.03.2020).

В настоящий момент изготовление газотурбинных двигателей (ГТД), несмотря на достигнутую высокую степень их технического совершенства, является одной из интенсивно развивающихся отраслей промышленности. На их основе создаются стационарные газотурбинные установки для выработки электроэнергии, приводы для наземного и водного транспорта. Уже сегодня требуется модернизировать и создавать двигатели пятого поколения с повышенными физико-механическими свойствами.

В конструкциях перспективных ГТД военного и гражданского назначения предполагается использование компрессоров низкого (КНД), высокого (КВД) давления и турбин с применением в них блисков, импеллеров и моноколёс. Состояние поверхностного слоя конструкционного материала, применяемого в деталях и сборочных единицах (ДСЕ), представляет собой важный фактор, определяющий эксплуатационные характеристики изделия. Это вызвано тем, что разрушение конструкционного материала детали обычно начинается с её поверхности, а это приводит не только к потере необходимой прочности, но и к ухудшению условий нормальной работоспособности детали.

Упрочнение поверхностного слоя конструкционного материала позволяют решить многие важнейшие технические задачи, но разработка и реализация таких технологических методов упрочнения представляет собой исключительно сложную проблему науки и производства.

Надёжность ГТД и механизмов во многом зависит от усталостной прочности тяжело нагруженных при работе деталей. Усталостные разрушения деталей практически всегда начинаются с поверхностного слоя, где обычно имеется значительное количество различных дефектов. Упрочнение методом поверхностного пластического деформирования является эффективным технологическим способом повышения усталостной прочности деталей.

В мировой практике, при производстве ГТД используются установки для ультразвукового упрочнения деталей. Основным узлом данной установки является колебательная система, состоящая из магнитострикционного или пьезокерамического преобразователя, рабочей камеры, в которую помещается обрабатываемая деталь и стальные шарики. Все ультразвуковые устройства оснащаются надёжной звукоизоляцией.

В процессе ультразвукового упрочнения поверхностный слой подвергается пластической деформации-наклепу. При этом повышается сопротивление деформации и твердость поверхности, изменяется микрогеометрия поверхности, уменьшается количество микроконцентраторов напряжений. Меняется величина и знак остаточных напряжений.

Глубина и степень наклёпа, в значительной степени влияют на прочность деталей. Под степенью наклёпа понимается отношение микротвёрдости поверхностного слоя к микротвёрдости сердцевины, выраженное в процентах.

Существенную роль играет величина и знак остаточных напряжений. В процессе эксплуатации растягивающие напряжения складываются с действующими циклическими растягивающими напряжениями, ускоряется процесс разупрочнения и образования усталостных трещин.

Ультразвуковое упрочнение позволяет улучшить такие эксплуатационные характеристики поверхностного слоя, как опорная поверхность, контактная жёсткость и коэффициент трения скольжения.

К достоинствам ультразвукового упрочнения следует также отнести возможность применения данной технологии для упрочнения поверхностного слоя деталей, имеющие сложнопрофильную геометрию. При этом достигается выгодное распределение внутренних напряжений в металле и такое структурное состояние, при котором удается повысить в два-три раза запас прочности деталей, работающих при переменных нагрузках, и увеличить срок их службы в десятки раз.

Данная статья описывает исследование технологического процесса ультразвукового упрочнения моноколёс и лопаток. А именно исследование величины и глубины залегания остаточных напряжений в поверхностном слое образцов деталей после ультразвукового упрочнения.

Для того чтобы оценить эффективность упрочняющей ультразвуковой обработки шариками проточной части лопаток и моноколес была использована специальная установка «Stressonic», французской марки SONATS. Оценка производилась по критерию остаточных напряжений и был определён следующий порядок исследований:

  1. Из листа проката материала ВТ-6 толщиной 4мм вырезают фрезерованием пластины размером 200×200мм, из которых в свою очередь электроэрозионным методом вырезают образцы размером 20х4хН четырех типов:

Н = 4мм (прокат), Н = 3–0,1мм, Н = 2–0,1мм, Н = 1,7–0,2мм.

  1. Образцы всех типов последовательно размещают в гнёздах прямоугольной формы на технологической лопатке и закрепляют в соответствии с технологией.
  2. Производят обработку в течение установленного времени.
  3. Обработанные образцы исследуют на распределение остаточных напряжений.
  4. Результаты анализируют, устанавливают закономерность распределения напряжений по сечениям лопаток различной толщины.
  5. На упрочнённом моноколесе проводятся усталостные испытания.
  6. Анализируются результаты усталостных испытаний моноколеса.
  7. По результатам усталостных испытаний и результатам определения распределения остаточных напряжений принимается решение об эффективности технологии ультразвукового упрочнения моноколёс.

Для гарантии надёжности изделия, при разработке конструкторской и технологической документации, при обеспечении технологических процессов необходимо учитывать и контролировать такие параметры качества, как шероховатость, наклёп и остаточные напряжения в поверхностном слое детали. Требования к качеству поверхности деталей подлежат проверке при сертификации производства.

Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ) разработал «Руководство по нормированию остаточных напряжений в поверхностных слоях» опытных и серийных деталей ГТД. Устанавливаемые нормы регламентируют:

 величину максимальных напряжений сжатия в поверхностном слое;

 глубину распространения сжимающих напряжений;

 величину максимальных подслойных растягивающих напряжений.

ЦИАМ регламентирует методику определения, проведение контроля, оценку результатов контроля и назначение норм на остаточные напряжения для деталей двигателей.

В «Руководстве» приводятся формулы статистической обработки результатов измерений остаточных напряжений с целью выявления среднего значения нормируемой величины и её допустимого отклонения. Также приводятся рекомендуемые нормы на параметры остаточных напряжений в лопатках турбин и компрессоров.

Механическим методом по Давиденкову определяют напряжения 1-го рода. Механический метод определения остаточных напряжений основан на вырезке из детали образца и послойном удалении исследуемых слоев путём электрохимического травления. При этом происходит нарушение равновесия, в результате чего образец деформируется. По величине изменения деформации оставшейся части образца, с изменением глубины залегания исследуемых слоёв, рассчитывают остаточные напряжения.

В основу расчётов остаточных напряжений положен принцип обратных напряжений, поскольку измеряется деформация образца, возникающая как результирующая составляющая сил, действующих вдоль вновь образовавшихся поверхностных слоёв в результате электрохимического стравливания исследуемых слоёв. Процесс травления подобран таким образом, что не создаёт побочной деформации образца.

Механический метод получил наибольшее распространение не только из-за своей простоты, но и вследствие того, что он использует представления о напряжениях и деформациях механики твёрдого тела как при расчётах деталей на прочность, жёсткость и устойчивость.

При механической обработке детали остаточные напряжения в разных направлениях могут отличаться не только по величине, но и по знаку. При дробеструйных методах упрочнения и виброобработке остаточные напряжения в разных направлениях одинаковы, если снята наследственность предыдущих операций.

Обычно определяют распределение остаточных напряжений по глубине залегания исследуемых слоев вдоль главных направлений, совпадающих с направлением действия рабочих нагрузок или с направлением обработки поверхности.

Наиболее простыми являются измерения в призматических образцах, в предположении об одноосном напряжённом состоянии образца.

В случае потребности определения плоского напряжённого состояния, необходимо вырезать на плоскости три образца под углом 45°. Вырезка образцов не должна вносить изменения в поверхностное напряжённое состояние, подлежащее исследованию. Вырезку образцов необходимо производить электроэрозионным методом проволокой на «мягких» режимах.

Не допускается в процессе изготовления образцов применять воздействия, способные нарушить собственное напряжённое состояние образца: дорабатывать напильником, гнуть, наносить царапины и вмятины на исследуемую поверхность.

Процесс ультразвукового упрочнения моноколес на базе специальной установки «Stressonic», французской марки SONATS, представляет следующую последовательность:

1. Моноколесо помещается в ультразвуковую камеру;

2. В ультразвуковую камеру помещается необходимое для обработки количество дроби;

3. Закрывается верхний колпак;

4. Включается программа обработки моноколеса на ЭВМ установки;

5. По завершении цикла обработки установка в автономном режиме завершает процесс упрочнения;

6. Открывается верхний колпак;

7. Из ультразвуковой камеры извлекается дробь;

8. Моноколесо извлекается из ультразвуковой камеры.

Рис. 1. Схема установки моноколеса в ультразвуковой камере

Режим обработки моноколеса представлен в следующей последовательности:

1. Управляющая программа обработки — «Big Blisk»;

2. Номинальная частота генератора — 20кГц;

3. Давление воздуха в сети Р= 40–45мПа (4–4,5кгс/см2);

4. Частота вращения детали — 0,50,2об/мин;

5. Время обработки детали — 11 часов;

6. Диаметр и материал микрошариков — 1,5мм из стали 100С6 аналогШХ15 (ГОСТ 3722–81);

7. Масса шариков — 1700,1гр;

8. Срок службы микрошариков — 110 часов.

По окончании обработки производится визуальный осмотр обработанных поверхностей на предмет оценки сплошности покрытия и равномерности упрочняющей обработки. Не допускается:

 наличие неупрочнённых зон в местах подлежающих упрочнению;

 наличие рисок, забоин и следов постороннего механического воздействия на поверхности детали, после упрочнения.

Для оценки глубины и степени наклёпа, а также структуры и глубины изменённого в результате ультразвукового упрочнения поверхностного слоя в металлографической лаборатории проводились исследования на четырёх образцах из сплава ВТ-6.

При внешнем осмотре упрочнённых поверхностей всех четырёх образцов видно, что поверхность на образце № 1 с более грубым рельефом, чем у трёх остальных (Рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид всех упрочненных поверхностей

Исследованием микрошлифов изготовленных в поперечном сечении установлено:

 микроструктура материала всех четырёх образцов соответствует 3–4-му типу 9–ти типной шкалы микроструктур титановых сплавов.

Рис. 3. Характерная микроструктура образцов

 макроструктура материала всех четырех образцов соответствует 4–5 баллу 10-ти бальной шкалы макроструктур титановых сплавов, на смешанном фоне;

 на поверхности образцов и в сердцевине различия в микроструктуре не наблюдается.

Рис. 4. Характерная микроструктура на поверхности образцов

Результаты замеров микротвёрдости, которые производились непосредственно на поверхности, подвергаемой ультразвуковому упрочнению, и в сердцевине образцов, приведены в таблице 1.

№ образца

Микротвердость, HV кгсмм2

Степень наклепа, %

Ультразвуковое упрочнение (УЗУ)

  • Условия публикаций
  • Все статьи конференции

Статья опубликована в рамках:

Выходные данные сборника:

УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ПОВЕРХНОСТНОЕ ПЛАСТИЧЕСКОЕ УПРОЧНЕНИЕ СТАЛИ 14Х17Н2

Лопухов Юрий Иванович

канд. техн. наук, профессор Восточно-Казахстанского государственного университета им. Д. Серикбаева, Республика Казахстан, г. Усть-Каменогорск

Лахина Мария Александровна

магистрант, Восточно-Казахстанский государственный университет им. Д. Серикбаева, Республика Казахстан, г. Усть-Каменогорск

ULTRASONIC FINISHING PROCESSING STEEL 14 Х17Н2

candidate of Technical Sciences, professor of D. Serikbaev East Kazakhstan state technical university, Republic of Kazakhstan, Ust’-Kamenogorsk

master of D. Serikbaev East Kazakhstan state technical university, Republic of Kazakhstan, Ust’-Kamenogorsk

В работе рассмотрена возможность ультразвукового упрочнения поверхности стали 14Х17Н2 после чистовой токарной обработки. Предлагается применять обработку ультразвуком в качестве финишной операции. Показано влияние различных режимов ультразвукового упрочнения на микротвёрдость и шероховатость. С целью повышения рабoтoспoсoбнoсти и дoлгoвечнoсти высoкoнагруженных дeталeй машин.

The paper considers the possibility of using ultrasonic finishing processing on the surface of alloy steels was done after finishing lathe machining. It is proposed to use an ultrasonic finishing processing in the finishing operation . Shows the effects of different modes of ultrasonic finishing on microhardness and roughness. In order to improve efficiency and durability of machine parts heavily.

Ключевые слова: ультразвуковое упрочнение; сталь 14Х17Н2; микроструктура; шероховатость.

Keywords : ultrasonic processing; alloy steel; metallurgical structure; roughness.

В настоящее время, для машиностроительных предприятий качество производимой продукции — машин, агрегатов, узлов и отдельных деталей, является одним из наиболее значимых показателей, определяющих мощность производственной и научной базы и развития. Теоретические исследования и производственный опыт последних лет привели к пониманию того, что работоспособность отдельных деталей и агрегатов в целом, в большой степени зависит и от качества поверхностного слоя деталей, который формируется при их изготовлении.

Ультразвуковое поверхностное упрочнение представляет собой прогрессивную технологию финишной отделочно-упрочняющей обработки металлов давлением, позволяя заменить классические статические методы пластического поверхностного деформирования по схемам качения и скольжения — накатывание и выглаживание. Отличительной особенностью УЗО является малая температура нагрева, низкое статическое усилие и высокая скорость деформирования, благодаря чему данная технология позволяет обрабатывать как детали, обладающие невысокой конструктивной жёсткостью, так и поверхности, подвергнутые закалке и отпуску. В результате воздействия ультразвуковых колебаний значительно снижается сопротивление металла пластической деформации [3].

Для определения влияния ультразвукового упрочнения на поверхностный слой был проведен эксперимент, по методике композиционного планирования эксперимента со статистической обработкой результатов по модели трёхфакторного эксперимента [1]. Факторами эксперимента, влияющими на качество поверхностного слоя, приняты: статическое усилие (Pст), поперечная подача (S), частота вращения заготовки (n). За показатели качества приняты: микротвердость (HV) и параметр шероховатости обработанной поверхности (Ra).

В качестве исследуемого материала использовалась коррозионностойкая, жаропрочная сталь 14Х17Н2, которая в настоящее время применяется для изготовления шпинделей нефтегазовой трубопроводной арматуры. В соответствие с ГОСТ 5632-72 данная сталь имеет следующий химический состав: 0,11—0,17 % С, 16,0—18,0 % Cr, 1,5—2,5 % Ni.

Исходная шероховатость поверхности из стали 14Х17Н2, полученная после чистового точения Ra 1,2…1,6 мкм.

Ультразвуковому упрочнению подвергались цилиндрические образцы диаметров 40 мм, образцы предварительно были подвергнуты термообработке: отжиг, закалка-отпуск, при температуре 680-700 о С. Ультразвуковое воздействие осуществлялось ультразвуковым генератором БУФО-0.63/22 и магнитострикционным преобразователем ПМС1-1. Частота ультразвуковых колебаний 18—20 кГц. К торцу магнитострикционного преобразователя крепился концентратор с радиусом закругления 5 мм. Усилие прижима концентратора к поверхности 150—300 Н, прижим контролировался индикатором часового типа и составлял 0,05—0,1 мм. Концентратор перемещался по поверхности образца вдоль направления точения со следующими характеристиками: подача 0,05—0,1 мм/об, обороты 100—300 об/мин, коэффициент перекрытия при данных параметрах варьировался от 0 до 0,5 [2, с. 68]. Полученные образцы подверглись травлению раствором Марбле и были изучены под растровым электронным микроскопом JSM-6390LV. Разрез образцов был произведен поперек направления течения металла, для детального изучения упрочненной поверхности по направлению длины окружности.

Читайте также:  Установка управляемых колес

Для изучения влияния технологических режимов ультразвукового упрочнения на геометрические характеристики поверхности были отобраны следующие результаты эксперимента – нижнее, центральное и верхнее значение плана, которым соответствует слабая, средняя и сильная степень наклепа.

По итогам эксперимента изучено распределение микротвёрдости по глубине обработанных образцов. Результаты измерения представлены на рисунке 1. Исходная микротвёрдость образцов замерена по методу Виккерса, и составила 334—353 HV.

На поверхности микротвёрдость имеет свое максимальное значение. Улучшение показателей качества приповерхностного слоя доказывает, что в процессе деформации не был превышен предел прочности стали 14Х17Н2, сопровождаемый снижением микротвердости приповерхностного слоя. Величина микротвердости приповерхностного слоя по глубине уменьшается до уровня микротвердости стали 14Х17Н2 в исходном состоянии, после чистового точения и термообработки. Монотонное убывание микротвердости характеризует изменения макро- и микро- структуры материалов, а также показывает изменения остаточных условий сжимающих напряжений при ультразвуковом пластическом деформировании.

Рисунок 1. Зависимость изменения микротвердости поверхностного слоя по глубине

На образце характеризуемом наименьшей степенью наклепа (Fст = 300 Н; Sпрод = 0,1 мм/об; n = 200 об/мин) микротвёрдость увеличилась в среднем на 20 единиц, на образце № 15 со средней степень наклепа (Fст = 200 Н; Sпрод = 0,075 мм/об; n = 100 об/мин) примерно на 50 единиц, а на образце с наибольшей степенью наклепа № 2 (Fст = 100 Н; Sпрод = 0,05 мм/об; n = 150 об/мин) приблизительно на 80 единиц, достигнув следующих значений: HV1 = 368; HV15 = 280; HV2 = 417.

Степень упрочнения поверхностного слоя после ультразвукового упрочнения достигла следующих значений: ; ; .

Анализируя представленные графические зависимости параметров качества поверхностного слоя от режима обработки можно сделать вывод, что при ультразвуковом упрочнении в указанном диапазоне изменения технологических параметров микрогеометрия улучшается при уменьшении силы статического прижима и скорости продольной подачи (см. рис. 1 и 2). Данный эффект можно объяснить тем, что при увеличении силы статического прижима перед инструментом начинает набегать пластическая волна и увеличивается сила трения между инструментом и обрабатываемой поверхностью (в контактной зоне под индентором). При увеличении подачи происходит неполное выглаживание неровностей, так как перемещающийся с большей скоростью инструмент не успевает полностью деформировать поверхность, коэффициент перекрытия отпечатков снижается, и частично деформированные выступы не заполняют впадины профиля.

Рисунок 2. Зависимость шероховатости обработанной поверхности от входных режимов ультразвукового упрочнения: а) шероховатость поверхности образца упрочненного ультразвуком образца (100 Н; 0,05 мм/об; 150 об/мин); б) Шероховатость поверхности образца упрочненного ультразвуком образца (200 Н; 0,075 мм/об; 100 об/мин).

На рисунке 3 представлена микроструктура стали 14Х17Н2 до ультразвуковой обработки. Структура исходного сплава является типичной мартенситно-ферритной структурой. Одной из особенностей данной стали является выделение дельта-феррита, возникновение которого снижает свойство стали, и приводит к образованию глобулярных включений карбидной фазы.

Рисунок 3 Микроструктура стали 14Х17Н2 до ультразвукового упрочнения, х100

На образцах подвергнутых ультразвуковому упрочнению наблюдается измельчение структуры поверхностного слоя, что ведет к увеличению микротвердости. При травлении упрочненная зона просматривается достаточно четко, этот эффект связан с разной скоростью травления разных по размеру зерен металла (см.рис. 4).

Рисунок 4. Микроструктура стали 14Х17Н2 после ультразвукового упрочнения, х100

В поверхностном слое пластически деформированного металла зерна приобретают определенную ориентировку, создают так называемую текстуру деформации (поверхностный слой приобретает слоистый вид). Происходит вытягивание зерен в направлении главной деформации, о чем можно судить по микроструктуре наклепанного слоя.

Глубина упрочненного слоя достаточна равномерна и составляет в среднем 20—30 мкм (см.рис. 5).

Рисунок 5. Упрочненный слой стали 14Х17Н2, х1000

При ультразвуковой обработке на поверхности образцов имеется слой, в котором существенно снижена доля карбидных частиц и наблюдается частичная деформация карбидных включений. Эффект ультразвукового воздействия проявляется в изменении распределения включений нерастворимых примесей по объему сплава. Измельчение структуры, и как следовательно, упрочнение поверхностного слоя происходит за счет наложения неровностей друг на друга, а также за счет вытягивания дефектов, образовавшихся при деформации материала по направлению главного движения обработки. Такие изменения в микроструктуре поверхностных слоев наблюдаются у всех исследуемых материалов.

Таким образом, слой сформированный при ультразвуковой обработке выступает в качестве защитного экрана и препятствует развитию пластической деформации в более глубоких слоях металла.

Учитывая повышение температуры поверхностного слоя в зоне контакта и температуру критических точек Ас1=720ºС и Ac3=830 ºС, для стали 14Х17Н2, был проведен количественный элементный микроанализ в упрочненном слое, приповерхностном слое и сердцевине образца на растровом электронном микроскопе JSM-6390LV. Анализируя полученные данные (рисунок 6, таблица 1) можно сделать вывод, что ультразвуковая обработка не изменяет стандартного элементного состава стали.

Рисунок 6. Микроструктура и спектры сканирования поверхностной и приповерхностной зон стали 14Х17Н2

Элементный анализ поверхностного и приповерхностного слоев стали 14Х17Н2 по спектрам сканирования

Ультразвуковая технология

Ультразвуковой метод обработки относится к электрофизическому воздействию на материал. Частота воздействий соответствует диапазону неслышимых человеческим ухом звуков (частота 16–105 кГц). При распространении в материальной среде ультразвуковая волна переносит определенную энергию, которая может непосредственно использоваться в технологических процессах или же преобразовываться в другие виды энергии (тепловую, химическую, механическую).

В качестве источников ультразвуковых колебаний используют аэродинамические, механические, гидродинамические, электромагнитные, электродинамические, магнитострикционные и пьезоэлектрические излучатели.

Основным элементом излучателя является электроакустический преобразователь (магнитострикционный или пьезоэлектрический). Он соединен с согласующим устройством, осуществляющим передачу акустической энергии от преобразователя в обрабатываемую среду, а также создающим размеры излучающей поверхности и интенсивность ультразвукового поля.

В качестве согласующих устройств используют, как правило, волноводные концентраторы акустические – расширяющиеся (для жидкостей) или сужающиеся (для твердых веществ), резонансные (настроены на определенную частоту) или нерезонансные пластины.

Согласующее устройство, кроме того, может одновременно выполнять функции режущего или какого-либо другого инструмента (например, при сверлении, сварке, пайке). Иногда применяют преобразователи, работающие без согласующего устройства (например, кольцевые преобразователи, встроенные в трубопровод).

Ультразвуковая обработка твердых веществ используется в основном для сварки металлов, пластмасс и синтетических тканей, при резании металлов, стекла, керамики, алмаза и т.п. (например, при сверлении, точении, гравировании), а также при обработке металлов давлением (волочении, штамповке, прессовании и др.).

Резание на ультразвуковых станках обеспечивает высокую точность, позволяет получать не только прямые круглые отверстия, но и вырезы сложных сечений, криволинейные каналы. Ультразвук, подведенный к инструменту обычного металлорежущего станка (например, сверлу, резцу), интенсифицирует обработку и улучшает дробление стружки.

При обработке металлов давлением ультразвуковые колебания улучшают условия деформирования и снижают необходимые усилия. При ультразвуковом поверхностном упрочнении повышаются микротвердость и износостойкость, снижается шероховатость поверхности. Во всех этих процессах ультразвук обычно подводят с помощью волноводного концентратора к рабочим органам машин (например, к сверлу, валкам прокатного стана, штампу пресса, фильере).

Ультразвуковая обработка в жидкостях (жидкостей) основана главным образом на возникновении кавитации. При определенных условиях распространения ультразвуковых колебаний в жидкой среде происходят чередующиеся сжатия и растяжения с частотой проходящих колебаний. В момент растяжения в капельной жидкости образуются полости, заполненные газом, паром или их смесью (так называемые кавитационные пузырьки).

В момент сжатия пузырьки захлопываются, в результате чего возникают ударные волны с большой амплитудой давления. Эти механические усилия и являются причиной разрушительного действия ультразвука. Местные ударные давления при этом часто превышают 980 мПа.

Некоторые эффекты кавитации (гидравлические удары при захлопывании пузырьков и микропотоки, возникающие в жидкости около пузырьков) используются при пайке и лужении, диспергировании, очистке деталей и т.д. Другие эффекты (разогрев паров внутри пузырька и их ионизация) используются для инициирования и ускорения химических реакций. Иногда для интенсификации ультразвуковой обработки процесс ведут при повышенном давлении.

При пайке и лужении металлов (алюминия, титана, молибдена) ультразвук разрушает окисные пленки на поверхности деталей и облегчает течение процесса. С использованием ультразвука можно лудить, а затем паять керамику, стекло и другие неметаллические материалы. Ультразвук подводят волноводным концентратором к припою, помещенному в ванну или нанесенному на поверхность детали.

Целесообразно использование ультразвука для очистки деталей и сборочных единиц сложной формы от загрязнений в машиностроении. Качество звуковой очистки несравнимо с другими способами. Например, при очистке деталей с помощью органических растворителей на поверхности остается 80% загрязнений, при вибрационной – 25%, а при ультразвуковой – 0,5%.

Хорошие результаты дает использование ультразвука для мойки фруктов, отмывания частиц крахмала с картофеля перед жаркой, сушкой.

Разработана ускоренная технология производства виноградного сока, согласно которой удаление избытка винного камня проводится с применением ультразвуковой обработки. Сок после такой обработки хорошо фильтруется и становится кристально прозрачным.

Очистка осуществляется в ваннах со встроенными электроакустическими излучателями. В рабочую жидкость добавляют поверхностно-активные вещества. Для снятия заусенцев с деталей в жидкость вводят абразивные частицы, ускоряющие обработку.

Дегазацию (освобождение от газов) жидкостей осуществляют при малой (обычно ниже порога кавитации) интенсивности ультразвука. Мелкие газовые пузырьки, взвешенные в жидкости, сближаются друг с другом, слипаются и всплывают на поверхность. Дегазации подвергают расплавы оптических стекол, жидкие алюминиевые сплавы и другие жидкости. Ультразвуковую обработку используют при обогащении (флотации) руд – газовые пузырьки оседают на поверхностях частичек минералов и всплывают вместе с ними.

Ультразвуковая обработка оказывает благоприятное влияние на процесс кристаллизации расплавов металлов при литье, что существенно улучшает структуру слитка и его механические свойства.Для образования эмульсий обычно применяют ультразвуковые аппараты в виде свистков или сирен.

Промышленное значение ультразвука может быть использовано для приготовления водно-жировых эмульсий любых концентраций и различной консистенции. Такие эмульсии имеют более высокую устойчивость, при добавлении в тесто значительно улучшают качество хлебобулочных изделий.

Приготовление суспензий в основном ведут в аппаратах с магнитострикционными преобразователями, работающими при повышенном давлении.

Образование аэрозолей происходит при ультразвуковой обработке жидкости в тонком слое с помощью волноводного концентратора, представляющего собой распылительную насадку. Ультразвук можно использовать для получения аэрозолей (например, при получении горячего дыма для копчения продуктов на основе коптильной жидкости).

При ультразвуковой обработке хорошо деполимеризуются в растворах высокомолекулярные соединения. Это свойство используется, например, при синтезе различных блок- и привитых сополимеров, для получения из природных полимеров ценных низкомолекулярных веществ.

Ультразвуковые колебания применяются для ускорения процесса полимеризации при изготовлении искусственного каучука, ускорения растворения твердых веществ в жидкости. Так, продолжительность растворения вискозы в процессе изготовления химических волокон при применении ультразвука сокращается с 7 до 3 ч.

Ультразвуковая обработка ускоряет многие массообменные процессы (растворение, экстрагирование, пропитку пористых тел и т.п.), ход которых ограничивается скоростью диффузии.

Действие высоких температур внутри кавитационных пузырьков, уменьшение толщины пограничного слоя и его турбулизация интенсифицируют также протекающие совместно химические и массообменные процессы. С помощью ультразвука можно ускорить диффузионные процессы. Например, при посоле сельди обработка ультразвуком значительно ускоряет процесс проникновения соли, повышается проницаемость оболочек клеток фруктов и овощей, что облегчает процесс извлечения сока.

Ультразвук используется для ускорения экстракционных процессов. Получение рыбьего жира из рыбьей печени при обработке ультразвуком происходит без значительного повышения температуры, что позволяет сохранить в готовом продукте все биологически активные вещества.

Ультразвуковая обработка в газах (газов) вызывает коагуляцию аэрозолей и пыли (укрупнение и осаждение взвешенных в газах мелких частиц) и применяется, например, в акустическом пылеуловителе.

При возбуждении ультразвука в нагретом газе (сушильном агенте) интенсифицируется сушка пористых тел – ускоряется испарение со свободной поверхности жидкости, в капиллярах возникают акустические течения и т.п. Ультразвуковая сушка обычно применяется совместно с другими видами сушки (например, инфракрасной, высокочастотной), в качестве источников ультразвука используют сирены.

С помощью ультразвука процесс сушки можно вести при более низких температурах, что способствует сохранению пищевой ценности высушиваемого продукта. Наиболее благоприятно акустическая сушка протекает при механическом перемещении частичек материала, особенно при сушке в кипящем слое или при непрерывном перемешивании. Сушка в кипящем слое обеспечивает большую интенсивность процесса, высокий коэффициент заполнения объема, при этом более полно используется звуковая норма.

Расширяется область практического использования ультразвуковой обработки, (например, в пищевой промышленности для осветления вин и ликеров, в фармацевтической – для стерилизации и приготовления различных препаратов и т.д.).

С помощью ультразвуковой фильтрации можно разделять жидкие неоднородные системы. Подаваемая в ультразвуковой фильтр суспензия подвергается воздействию ультразвука. Под действием звуковых волн твердые частицы суспензии коагулируют и в виде осадка собираются в нижней части аппарата. Жидкая фаза вытекает через штуцер в верхней части аппарата.

Установлено положительное влияние ультразвука на вкусовые качества шоколада: он отличается нежностью, бархатистостью и более тонким букетом. Под действием ультразвука вязкость шоколадной массы снижается на 7–10%.

Эффективно применение ультразвуковых гомогенизаторов. Так, под действием ультразвуковых колебаний в объеме эмульсии (вода и молочные жировые шарики) образуются кавитационные пузырьки. При их схлопывании возникают ударные волны, интенсивно измельчающие жировые шарики. Ультразвуковая гомогенизация обладает рядом преимуществ, и главное из них – возможность управлять процессом, регулируя частоту и амплитуду колебаний. Кроме того, с помощью ультразвука стерилизуют молоко при комнатной температуре. При этом полезные вещества молока, разрушающиеся при нагревании, в нем сохранятся.

С помощью ультразвука можно получать и мелкодисперсные суспензии. Разрушение твердых частиц происходит в две стадии: сначала при соударениях в частицах возникают микротрещины, а затем кавитационные ударные волны расширяют и углубляют трещины, раскалывая частицу.

Ультразвуковые гомогенизаторы также необходимы при производстве плодовых соков и пюре, для извлечения растительных компонентов без использования органических растворителей, при изготовлении антибиотиков с повышенной антибактериальной активностью.

Ссылка на основную публикацию