Содержание страницы
Сущность ультразвукового упрочнения (УЗУ) поверхностей деталей машин состоит в том, что под суммарным воздействием статической и динамической сил, передаваемых поверхности посредством инструмента, значительно изменяются ее свойства. А именно: пластически деформируется поверхностный слой детали, снижается шероховатость поверхности, почти в 2 раза увеличивается микротвердость, а глубина упрочненного слоя достигает 0,5 мм.
Статической силой здесь является усилие прижатия инструмента к поверхности изделия, а динамическая сила создается колебательной системой, включающей ультразвуковой генератор, волновод и упрочняющий инструмент.
К параметрам режима УЗУ относятся статическая сила, амплитуда колебаний инструмента, радиус его округления, частота колебаний, эффективная масса инструмента, продольная подача, число рабочих ходов, скорость обработки детали.
При ультразвуковом упрочнении рабочая часть инструмента выполняется обычно из твердосплавных материалов ВК8, Т15К6 или закаленных сталей ШХ15 с радиусом закругления 8 мм. Рабочая часть инструмента прижимается к обрабатываемой детали с помощью груза с усилием 300…400 Н и приобретает ультразвуковые колебания, создаваемые ультразвуковым генератором, магнитострикционным преобразователем и коническим концентратором. Частота колебаний инструмента 18…24 кГц, амплитуда колебаний 10…20 мкм, скорость обработки поверхности детали 0,9…1,0 м/с. Продольная подача инструмента S = 0,125 мм/об. С целью уменьшения износа инструмента и повышения производительности процесса при упрочнении используют смазочно-охлаждающую жидкость – индустриальное масло.
Применение ультразвукового упрочнения особенно эффективно для инструментов, зубьев колес, деталей, изготовленных из чугуна, цветных металлов и сплавов, в том числе твердосплавных, а также для деталей сложной формы, так как при ультразвуковом упрочнении не требуется использование следящей системы или копира.
1. Ультразвуковая импульсная упрочняюще-чистовая обработка
Впервые информация об ультразвуковом способе обработки появилась в работах профессора И.И. Муханова в 1964 году. В настоящее время в России оборудование для ультразвукового метода обработки производят несколько организаций. Значительных достижений в данном направлении добился «Северо-западный центр ультразвуковых технологий» под руководством доктора технических наук, профессора Ю.В. Холопова. Другое название этого способа металлообработки – безабразивная ультразвуковая финишная обработка (БУФО).
Ультразвуковая обработка применяется после чистовой токарной обработки. Ультразвуковой инструмент, зажатый в резцедержателе 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 макрои микронапряжения, сглаживает неровности поверхности и создает в итоге улучшенный поверхностный слой с регулярным характером микрорельефа (рис. 1).
Рис. 1. Ультразвуковая импульсная упрочняюще-чистовая обработка деталей: а – упрочнение цилиндрической детали на токарном станке; б – инструмент для обработки внешних поверхностей; в – для обработки внутренних поверхностей
В результате применения данного способа микротвердость поверхности возрастает на 30…300 %, а шероховатость снижается в два раза. Такое качество поверхности можно получать не только на термически обработанных и сырых сталях, но и на чугунах, цветных металлах и сплавах.
Толщина наклепа после ультразвуковой обработки может быть до 0,1 мм. Оптимально сочетая статическую и динамическую составляющую силы ультразвуковой обработки, можно превысить предел текучести обрабатываемого металла и тем самым проводить коррекцию геометрии обрабатываемой детали, т. е. осуществлять правку.
Отсутствие внедренных в поверхность деталей зерен абразива увеличивает до двух раз срок службы сопряженных деталей (пар скольжения, уплотнительных сальников, сальниковой набивки и т. д.). К тому же регулярный микрорельеф повышает свойство удержания обработанной поверхностью масел и смазок, что улучшает коррозионную устойчивость обработанной поверхности.
Перечисленные свойства доказывают, что детали машин и механизмов, подвергнутые ультразвуковой импульсной упрочняющечистовой обработке, имеют большую износостойкость, циклическую, контактную, усталостную прочность, чем после шлифования, обкатывания шаром и других финишных способов обработки поверхности деталей.
2. Ультразвуковое деформационное упрочнение деталей автомобилей
Упрочнение осуществляют за счет энергии удара об обрабатываемую поверхность стальных шариков, разгоняемых стенками волновода, колеблющимися с ультразвуковой частотой. В результате высокой частоты ударов и относительно большой энергии происходит интенсивная пластическая деформация металла, вследствие чего изменяются исходное состояние микрогеометрии и физические свойства поверхностного слоя. Поверхностный слой упрочняется, в нем наводятся остаточные напряжения сжатия.
Используют также ультразвуковое упрочнение (УЗУ), когда загружаемым рабочим телам, помещённым в замкнутый объём вместе с обрабатываемой деталью, сообщают ультразвуковые колебания, под действием которых происходит упрочнение обрабатываемой поверхности. Процесс (рис. 2) напоминает виброударную обработку.
Рис. 2. Схема ультразвукового упрочнения шариками: 1 – волновод; 2 – камера; 3 – обрабатываемая деталь; 4 – стальные шарики
Виброударная обработка – это обработка рабочими телами деталей в замкнутом объёме при его вибрации. При этом виде обработки частота вибрации рабочей среды гораздо ниже частоты ультразвуковых колебаний.
Для вибрационной ударной обработки используют рабочие тела из различных материалов и жидкие рабочие среды. Кроме стальных и полимерных шариков (ГОСТ 3722–81, ОСТ 1.51334–73), стальной и чугунной дроби (ГОСТ 1 1964–81 Е) применяют металлическую сечку из проволоки, гранулы из алюминиевых и цветных сплавов.
При виброударной обработке в рабочей камере, смонтированной на упругих подвесках и имеющей возможность колебаться в различных направлениях, сообщаются низкочастотные колебания – в большинстве случаев с помощью дисбалансного вибратора. Виброударная обработка производится в результате множества микроударов и относительного скольжения с определённым давлением рабочих тел по поверхности обрабатываемой детали. Рабочие тела движутся с переменным ускорением, что обеспечивает их большую подвижность. Вследствие высокой относительной подвижности рабочие тела хорошо вписываются в фасонную поверхность деталей, за счёт чего этим методом можно упрочнять как наружные, так и внутренние поверхности сложных деталей различных размеров. В силу ограниченных энергетических возможностей продолжительность упрочнения значительна (от 10…20 минут до нескольких часов), а вероятность перенаклёпа исключается, т. е. виброударная обработка по сравнению с другими способами ППД обладает ограниченными энергетическими возможностями.
Применение ультразвукового упрочнения может быть эффективно в следующих случаях:
- для деталей термически и химико-термически обработанных сталей У10А, У12, Х40, ШХ 15, сталей аустенитной структуры 12Х18Н9Т и других, где применение иных методов обработки не позволяет получить значительный упрочняющий эффект;
- деталей и инструментов из твердых сплавов;
- деталей малой и неравномерной жёсткости.
Проведенные сравнительные исследования свойств поверхностного слоя наплавленных коленчатых валов после шлифования без ультразвука и после выглаживания с применением УЗУ показали, что наибольший эффект получен на деталях после УЗУ. При этом твердость поверхности детали увеличилась на 30 %, толщина упрочнения составила 0,6…0,8 мм, микротвердость увеличилась на 50 %, шероховатость уменьшилась с 1,63 до 0,2 мкм.
Важным преимуществом УЗУ является также образование в поверхностном слое наплавленных деталей остаточных напряжений сжатия.
Лабораторные испытания на износостойкость наплавленных и упрочненных ультразвуковым инструментом шеек коленчатых валов показали их меньший износ по сравнению с неупрочненными примерно в 7 раз. Износостойкость упрочненных шеек по сравнению с образцами, не наплавленными (контрольными), изготовленными из стали 45 и закаленными ТВЧ, повысилась примерно в 4,7 раза