УДК 621.787
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОТВЕРСТИЙ С НАЛОЖЕНИЕМ КОЛЕБАНИЙ
КарГТУ
Научный руководитель – к. т.н., доцент
Эксплуатационные качества изделий из стали во многом зависят от состояния поверхностного слоя. Прочность, износостойкость, коррозионная стойкость, долговечность и надежность определяются состоянием слоя, с которого обычно начинается разрушение материалов. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием с наложением колебаний (вибрационная упрочняющая обработка) позволяет уменьшить высоту микронеровностей и создает в поверхностных слоях благоприятную эпюру остаточных сжимающих напряжений [1].
По частоте колебания разделились на три раздела: инфразвук (частота колебаний f до 10 Гц), низкочастотные колебания (звук) (f=15-100 Гц), ультразвук (f свыше 1000 Гц). Наиболее широко используются колебания с частотами 15-100 Гц и менее используемыми являются низкочастотные колебания (инфразвук) [2].
В процессе вибрационной обработки поверхностный слой металла под действием нормальной и тангенциальной сил в момент удара деформируется. Пластическая деформация вызывает накопление дислокаций и вакансий в поверхностном слое.
Исследования, проведенные в последние годы в ряде стран мира, показали большие преимущества метода пластической деформации с применением колебаний ультразвуковой частоты с точки зрения снижения усилия деформирования, повышения производительности оборудования, обработки высокопрочных материалов, улучшения качества поверхности изделий и др. Положительные эффекты, наблюдаемые при пластической деформации металлов и сплавов с наложением ультразвуковых колебаний, даже при выполнении одной и той же технологической операции проявляются в различной степени в зависимости от типа колебаний, способа их подведения в зону обработки и месторасположения очага деформации в колебательной системе [3].
Интенсивность вибрационной обработки зависит от целого ряда факторов: механических свойств материала обрабатываемых деталей, их размеров, режимов обработки и др. Основными параметрами вибрационно-технологического процесса являются: возмущающая сила, амплитуда и частота колебаний обрабатывающего инструмента, его скорость [4].
Хотя поверхностное пластическое деформирование обеспечивает повышение износостойкости, сопротивление усталости, контактной выносливости и других эксплуатационных свойств обрабатываемых деталей на 20.50 % [5]. Вместе с тем для традиционных методов упрочняющей технологии, таких как накатывание, раскатывание и даже выглаживание, характерны значительные деформирующие усилия, что ограничивает их применение при обработке маложестких и тонкостенных деталей из-за возникающих геометрических погрешностей. Поэтому, введение в зону обработки ультразвуковых колебаний способствует снижению сопротивления пластическому деформированию и сил трения на контактных поверхностях, что в конечном итоге приводит к значительному снижению статических усилий деформирования [6, 7].
Ультразвуковая обработка обеспечивает получение заданных свойств поверхностного слоя - частично или полностью регулярного микрорельефа, создание остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое обработанных поверхностей [8].
Эффективность ультразвуковой обработки определяется главным образом технологическим методом обработки и ее режимами [9].
В машиностроении вибрационную обработку можно разделить на две большие категории: обработка заготовок в среде при сообщении колебаний рабочей среде (вибрационный наклеп) и обработка заготовки инструментом при наложении осцилирующих колебаний на инструмент или на заготовку (вибровыглаживание, виброобкатывание, виброконтактный наклеп, и т. д.
При вибрационном выглаживании инструменту в виде сферы ( другие формы заточки неприменимы) дополнительно придается возвратно-поступательное перемещение по поверхности детали [10].
В результате на поверхности образуется синусоидальный канал. При обработке инструмент скользит либо по исходной, либо по частично выглаженной поверхности, а при каждом двойном ходе изменяется направление движения инструмента и дуга контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью. Микрорельеф, получаемый при вибровыглаживании, по характеру и плотности синусоидальных каналов подразделяется на 4 вида: каналы не касаются друг друга; каналы касаются друг друга; каналы пересекаются; каналы накладываются.
Варьирование форм, размеров и расположения микронеровностей по поверхности достигается изменением режимов обработки :
- скорости вращения детали;
- подачи инструмента;
-амплитуды и частоты его колебаний;
- силы поджима инструмента к детали;
- радиуса сферической части инструмента.
В качестве инструмента здесь применяют шарики диаметром 4-10 мм, и сферические наконечники из алмазов. В первом случае обработку ведут трением качения, во втором – трением скольжения. В первом случае называется виброобкатывание, во втором – вибровыглаживание.
Преимущества вибровыглаживания перед выглаживанием: увеличение остаточных напряжений в 1,3-1,7 раз; увеличение длины канала в 1,5-2 раза; повышение износостойкости детали в 1,5 раза; возможность изготовления любого микрорельефа для контактирующих тел; возможность удержания масляной пленки в каналах при трении; упрочнение с оплавлением поверхности детали.
Виброконтактный наклеп характеризуется многократным ударным воздействием бойка со сферическим (или другой формы) наконечником на обрабатываемую поверхность. Боек находится в контакте с обрабатываемой поверхностью, и таким образом здесь имеет место схема передачи удара на обрабатываемую поверхность, что обеспечивает наиболее высокий коэффициент передачи удара. Сила ударного взаимодействия достигает 5-60 Н, а частота нанесения ударов составляет от 10-15 до 50 Гц и более.
Виброконтактный наклеп рекомендуется для обработки деталей с высокой поверхностной твердостью. При этом достигается повышение микротвердости на 30-50%, глубина упрочненного слоя может достигать 35 мм, а остаточные напряжения сжатия - 1000 МПа и более.
Виброударная обработка (вибронаклеп). Сущность виброударной (вибрационной) обработки относительно полно раскрывает определение, данное этому методу в работе. Применительно к вибрационному наклепу процесс характеризуется соударением частиц обрабатывающей среды с поверхностью обрабатываемых деталей (заготовок) и сопровождается упругопластической деформацией последней. Как известно, процесс вибрационной обработки происходит при наличии двух видов движения [11, 12]:
– осциллирующего (частота этого движения соответствует частоте колебаний);
– циркуляционного (медленное вращение всей среды относительно продольной оси контейнера).
Образование поверхностного слоя происходит в результате последовательного нанесения большого числа микроударов множеством частиц среды (например, стальных шаров), вызванных действием направленных вибраций, сообщаемых рабочей камере, в которой размещены обрабатываемые заготовки (детали) и рабочая среда.
Поверхностное пластичекое деформирование с наложением колебаний позволяет иненсифицировать процесс обработки деталей и улучшить качество поверхностного слоя. Под воздействием ультрозвуковых колебаний происходит дробление и перераспределение структуры материала на определенную глубину зависящую от множества факторов, с образованием микро - и наноструктур, а это в свою очередь обеспечивает повышение эксплуатационных характеристик изделий.
Список литературы:
1. Артемьев В. В, Рубаник 1. виброударные процессы Мн., 2004.
2. , . Основы вибрационной технологии. – Ростов н/Д,1999. – 621 с.
3. и др. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении / Под общей редакцией и . М., 2006.
4. . Вибрация – нестандартный путь. – М.: Наука, 1986. – 207с.
5. Марков А. И., , Бекренев интенсификация процессов сверления глубоких отверстий в труднообрабатываемых материалах. СТИН. - №12. - 1996.
6. П. Боровин геометрических и физико-механических характеристик поверхностного слоя при финишной ультразвуковой обработке.: диссертация кандидата технических наук: 05.03.01 Москва, 2005.
7. Бржозовский Б. М. и др. Физические основы, технологические процессы и оборудование ультразвуковой обработки материалов: Саратов: Саратовский гос. технический ун-т, 2006.
8. Алиев А. Э., , Таламанов регулярного микрорельефа способом вибронакатывания на станках с ЧПУ Станки и инструмент. - № 4. - 1987.
9. Пегашкин В. Ф., , Гаврилова обработки внутренних поверхностей с наложением УЗК Автотрактростроительная промышленность и высшая школа. Международная н. т. конференция, Москва, 1999 С. 29-30.
10. Степанова, поверхностного упрочнения деталей машин: учебное пособие/ ; Иван. гос. хим.-технол. ун-т.-Иваново, 2009.- 64с.
11. Обработка деталей свободными абразивами в вибрирующих резервуарах / , , и др. – К.: Высшая школа, 1975. – 188 с.
12. Блехман перемещение / , . – М.: Наука, 1964. – 488 с.
