Анализ качества прессовых соединений, образованных с использованием ультразвуковых колебаний малой амплитуды

УДК 621.757:62-752

1

АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ПРЕССОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ОБРАЗОВАННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ МАЛОЙ АМПЛИТУДЫ

Анкудинов Д.В., Батищева О.М., Папшев В.А., Шуваев В.Г.

Самарский Государственный технический университет

Представлен анализ процессов, происходящих в условиях наложения ультразвуковых колебаний малой амплитуды при запрессовке. На основании результатов выполненных экспериментов сформулированы выводы о факторах, влияющих на качество образуемого соединения.

Ключевые слова: запрессовка; ультразвуковые колебания; узлы

схватывания; качество соединений.

Эффективность использования ультразвуковых колебаний малой амплитуды при запрессовке соединений с натягом во многом объясняется возможностью более прочного соединения разнородных металлов и сплавов между собой за счет изменения характера протекания адгезионных и диффузионных процессов под воздействием ультразвукового поля. Одним из достоинств введения ультразвуковых колебаний малой амплитуды в зону сборки является возможность соединения металлов и сплавов в твердой фазе соединяемых материалов аналогично тому, как это происходит в процессах ультразвуковой сварки.

Для понимания природы формирования соединений в твердой фазе важными стали исследования, рассматривающие процесс образования соединения материалов без расплавления как топохимическую реакцию, в которой выделяют три ведущих стадии [1].

Первая стадия связана с формированием физического контакта, определяемого сближением атомов соединяемых материалов вследствие пластической деформации на расстояние, при котором возникает либо физическое взаимодействие, обусловленное силами Ван-дер-Ваальса, либо слабое химическое взаимодействие. Одновременно происходит активация контактной поверхности пластически деформированного материала за счет выхода дислокаций, что создает условия для образования слабых химических связей.

Вторая стадия связана с активацией контактных поверхностей, определяемой образованием активных центров.

Схватывание происходит на активных центрах, которыми при соединении материалов в реальных условиях являются участки полуупругих искажений вокруг вышедших в зону физического контакта отдельных дислокаций или их скоплений (атомная и геометрическая неоднородности поверхности, наличие оксидных и хемосорбированных слоев). На этих участках энергетическое состо-

2

яние атомов соответствует уровню, необходимому для разрыва старых и образования новых химических связей.

Третья стадия связана с объемным взаимодействием, которое наступает с момента образования активных центров на соединяемых поверхностях. В процессе этой стадии происходит развитие взаимодействия соединяемых материалов как в плоскости контакта (с образованием прочных химических связей), так и в объеме зоны контакта.

Для целенаправленной разработки методов оптимизации процессов запрессовки и повышения прочности соединений, предлагается использовать кинетическую схему, на которой систематизированы научные представления о стадийном характере взаимодействия контактирующих поверхностей в условиях ультразвуковых колебаний. На основе этой схемы можно выбирать дополнительные ультразвуковые технологические воздействия, вводимые в зону сборки, которые интенсифицируют те или иные физико-химические процессы в контактной зоне на каждой стадии, а именно:

- на первой стадии - механическое воздействие упругих колебаний, приводящее к циклическому изменению сборочного усилия;

- на второй стадии - физико-химическое воздействие, обеспечивающее разрушение окисных пленок и образование ювенильных поверхностей;

- на третьей стадии - возникновение схватывания и релаксации напряжений процесса взаимодействия соединяемых поверхностей за счет изменения режимов ультразвукового воздействия.

При направленном введении в зону силового контактного взаимодействия деталей дополнительной ультразвуковой энергии происходит интенсивное разрушение окисных пленок и образование вследствие этого в зоне трения ювенильных поверхностей, представляющих собой участки чистого металла и физического контакта деталей, ведущего к возникновению схватывания. Схватыванию в значительной степени способствует малая амплитуда колебаний контактирующих поверхностей и возвратно-поступательный характер этих колебаний. Одновременно, в зависимости от направления колебаний в узлах схватывания возникают пропорциональные амплитуде колебаний циклические или сдвиговые напряжения и деформации, способствующие усталостному разрушению интерметаллических связей и уменьшению сил трения. В ювенильных зонах и происходит химическое схватывание материалов соединяемых деталей, а в условиях ультразвуковых колебаний - и микросварка, что значительно повышает прочность соединения.

Сложность исследования процессов сборки и оценки качества формируемых соединений обусловливается с одной стороны, множеством воздействующих факторов, большая часть которых носит вероятностный характер, а с другой стороны, отсутствием надежных методов и средств для непосредственной оценки механизмов контактного взаимодействия деталей в процессе сборки. Одним из перспективных методов решения этой проблемы, наряду с использованием эффективных технологий ультразвуковой сборки, является применение вычислительной техники и компьютерных технологий.

Предлагаемая концепция [2] построения информационно-измерительного комплекса на базе персонального компьютера позволяет создать эффективную

3

систему оперативного сбора и обработки информации процесса ультразвуковой запрессовки. На кафедре автоматизации производств и управления транспортными системами Самарского государственного технического университета разработана конструкция и выполнен опытный образец пресса, оснащенного датчиками для регистрации параметров управляющих сигналов и диагностической информации, соответствующей ходу технологического процесса запрессовки.

Проведенная серия экспериментов с использованием разработанного комплекса была посвящена выявлению закономерностей формирования областей схватывания и определения факторов, влияющих на качество образуемых соединений.

С этой целью шарошка была имитирована плоским диском, изготовленным из стали 19ХГНМА (долотная сталь) и прошедшим механическую и химикотермическую обработку, аналогичную серийной технологии обработки шарошек буровых долот.

Для запрессовки использовались серийные заводские твердосплавные зубки из сплава ВК10 диаметрами 6,8 мм и 7,87 мм.

Априори выполнялась подготовка зубков и отверстий на условиях селективной сборки, то есть непосредственно перед ультразвуковой запрессовкой замерялись диаметры отверстий в корпусе шарошки, которые разделялись на три размерные группы, и далее к каждому отверстию подбирался соответствующий размерной группе твердосплавный зубок - таким образом, чтобы обеспечить вариативность натяга в пределах от 0,08 мм до 0,11 мм.

При проведении процесса запрессовки ультразвуковые колебания накладывались изначально для снижения трения, а затем - при достижении зубками заданного положения - задавались колебания с выдержкой по времени без относительного перемещения деталей, т.е. реализовывался режим схватывания. В таблице приведены основные характеристики режимов запрессовки зубков шарошечных долот.

Наименование параметра Диапазон значений

Натяг (0,08-0,11) мм

Скорость перемещения штока (0,001-0,01) м/с

Амплитуда прикладываемых колебаний (1-20) мкм

Частота прикладываемых колебаний Автоподстройка резонанса (18-22) кГц

Время выдержки (1-60) сек

Одной из характеристик качества сформированного соединения является усилие распрессовки, необходимое для разрушения соединения.

Соответствующие усилия оценивались как по показаниям датчика усилия, так и по показаниям манометра.

По результатам эксперимента были построены линии тренда,

характеризующие усилия запрессовки и распрессовки при различных подходах к процессу формирования соединения (с использованием ультразвуковых

4

колебаний и без них). Это позволило выделить следующие существенные моменты:

- при использовании ультразвуковых колебаний в процессе формирования соединения усилие распрессовки превышает усилие запрессовки;

- усилие распрессовки для соединения, образованного с использованием ультразвуковых колебаний больше аналогичного усилия для соединения, сформированного без использования ультразвуковых колебаний;

- при формировании прессового соединения с использованием ультразвуковых колебаний требуется меньшее усилие по сравнению с усилием в аналогичном процессе без дополнительных колебательных воздействий.

Как отмечено выше, на третьей стадии процесса взаимодействия контактирующих поверхностей формируются узлы схватывания. При этом общая площадь такого рода областей также характеризует качество формируемого соединения. Была выдвинута гипотеза о влиянии на формирование узлов схватывания времени выдержки при наложении ультразвуковых колебаний в процессе прессования. При этом «время выдержки» означало время, в течение которого фиксировалось положение зубка, а ультразвуковые колебания продолжали поступать.

Исследование поверхности твердосплавных зубков на наличие узлов схватывания производилось на модернизированном для этих целей микроскопе МИС-11. Поверхность твердосплавных зубков была исследована до запрессовки и после распрессовки. Анализ показал, что при воздействии ультразвука в течение одной секунды площадь узлов схватывания в зонах контакта составляет 3,5 % от общей видимой поверхности зубка. С увеличением времени воздействия ультразвука относительная площадь узлов схватывания возрастает (10 сек - до 14 %, 30 сек - до 56 %), а далее начинает снижаться и, например, при воздействии ультразвука в течение 60 секунд не превышает 40 %.

Полученные результаты подтвердились и при вариации натяга в процессе формирования соединений.

Таким образом, на основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

1) наложение ультразвуковых колебаний в процессе запрессовки повышает прочность формируемого соединения, что подтверждается увеличением значений усилия распрессовки;

2) использование в процессе прессования определенных значений времени выдержки (без поступательного движения подвижного элемента) позволяет увеличить относительную площадь узлов схватывания.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов. - Л.:

Машиностроение. - 1988. - 224 с.

5

2. Штриков Б.Л., Шуваев В.Г., Лаптев В.А. Автоматизированная система научных исследований процессов ультразвуковой сборки // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2007. - .№12. - С. 19-22.

QUALITY ANALYSIS OF COMPRESSION JOINT FORMED WITH THE USE OF ULTRASONIC SMALL-AMPLITUDE OSCILLATIONS

Ankoudinov D.V., Batishcheva O.M., Papshev V.A., Shuvaev V.G.

Samara State Technical University

This paper presents the analysis of processes occurring while assembling with ultrasonic small-amplitude oscillation superposition. Basing on the made experiment results the authors give the conclusions about factors affecting the formed joint quality.

Key words: assembling, ultrasonic oscillations, resulting joint, joint quality.