Исследование распространения ударных волн в сплошной и слоистой среде металлических образцов при виброволновом нагружении

УДК 621.787.6

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УДАРНЫХ ВОЛН В СПЛОШНОЙ И СЛОИСТОЙ СРЕДЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ ПРИ ВИБРОВОЛНОВОМ НАГРУЖЕНИИ

А.П. Бабичев, П. Д. Мотренко, Д. Д. Бирюков, И. А. Бабичев, Д.В. Максимов

Представлены результаты проведенных исследований по распространению ударных волн при виброволновом нагружении, изменению состояния материала образцов при виброволновой обработке. Представлена новая технологическая схема обработки с использованием многоконтактного виброволнового инструмента. В ходе работы был рассмотрен эффект отраженной волны с изменением структуры не только обрабатываемой поверхности, но и поверхности не воспринимающей ударные импульсы. Исследовано распространение ударных волн через пакет металлических образцов.

Ключевые слова: виброволновой инструмент, ударное воздействие, пластическое деформирование, ударный импульс.

Интерес к виброволновым явлениям в процессах металлообработки обусловлен их широким применением в физике деформационных процессов и все большим проникновением волновых и виброволновых методов обработки в технологические процессы. Многочисленные работы посвящены проблемам создания прогрессивных технологических процессов на основе использования импульсного волнового деформационного воздействия волн. Проблема деформации и разрушения материалов и сред волновым воздействием привлекает все большее внимание технологов и конструкторов [1-4]. Вибрационное ударное воздействие на тела и среды различных характеристик сопровождается волновыми явлениями (процессами), роль которых при решении технологических задач весьма ощутима. Однако они далеко не всегда учитываются, и им незаслуженно мало уделяется внимания. Известно, что в процессах волнового воздействия, в контакте инструмента с обрабатываемой поверхностью (материалом, средой) возникают усилия, в сотни раз превышающие усилия, исходящие от источника ударного импульса.

В ходе экспериментов с ударными волнами отмечены искажения структуры или изменение не только обрабатываемой поверхности, но и свободной (тыльной), не воспринимающей ударные импульсы, проявление так называемых откольных явлений [5, 6]. В деятельности НИИ «Вибротехнология ДГТУ» значительное внимание уделяется применению волновых и виброволновых процессов в технологии обработки и разборки изделий, переработки материалов, в условиях производства новых изделий, ремонтных производств и утилизации.

В работах [3, 5, 6] отмечаются изменения состояния материала при одностороннем нагружении не только на лицевой (нагружаемой) поверхности, но и на противоположной (тыльной) не подвергаемой нагружению

поверхности. При определенных условиях на тыльной стороне отмечаются так называемые откольные явления [3, 6]. В технологии упрочняющей обработки динамическими методами поверхностного пластического деформирования (ППД) деталей в виде труб или с другими закрытыми поверхностями обычно упрочнению подвергаются отдельно наружная поверхность, или при необходимости также отдельно обрабатывается внутренняя. Например, лонжероны несущих и рулевых лопастей вертолетов. С учетом упомянутых выше работ представляет интерес какие изменения происходят на противоположной (тыльной) стороне, подвергаемой воздействию отраженных волн (волн разгрузки).

С этой целью выполнены экспериментальные исследования с изготовлением специальных образцов. Форма образцов предусматривает возможность нагружения одной стороны (лицевой) и изоляцию противоположной (тыльной) стороны при виброволновой обработке в среде стальных шаров диаметром 7 мм или многоконтактным инструментом. Важным условием является обеспечение сплошности материала для распространения продольных волн и исключение переходов, сварных швов, разъемов другого вида. Другим условием являлось удобство измерений микротвердости торцовых поверхностей (лицевой и тыльной).

В предлагаемой статье представлены результаты экспериментальных исследований изменения состояния материала образцов при виброволновой обработке (нагружении).

Обработка специальных образцов (рис. 1) осуществлялась в среде стальных шаров d=7 мм; амплитуда и частота колебаний соответственно: A=2,5 мм, f=30 Гц, продолжительность обработки, t=30 и 60 минут. Материал образцов сталь 30 ХГСА (сырая).

Результаты обработки представлены в табл. 1 и на рис. 1.

Указанные образцы после истечения 30 суток были подвергнуты повторной обработке в тех же условиях при продолжительности 60 минут. Полученные результаты представлены в табл. 2 и на рис. 2.

Увеличение НУ +29

Увеличение НУ +35

^71

т

100

Рис. 1. Специальный образец

262

Таблица 1

Результаты обработки при продолжительности 30 минут

Среднее значение НУ 200

Поверхность Лицевая

Исх. 164 181

Обр. 30' 193 216

Таблица 2

Результаты повторной обработки при продолжительности 60 минут

Среднее значение НУ 200

Поверхность Лицевая

Исх. 193 216

Обр. 60, 164 175

Рис. 2. Специальный образец при продолжительности 60 минут

Предварительное сравнение результатов обработки в течении 30 и 60 минут показывает заметное различие значении НУ, Так, например, обработка в течении 30 минут сопровождалась повышением НУ, тогда как обработка в течении 60 минут привела к снижению этого показателя. При этом отмечается превышение значения НУ для тыльной стороны (взаимодействие отраженных волн) по сравнению с лицевой (проявление воздействия прямых волн).

Произведена обработка образца рассматриваемой формы по новой технологической схеме - упрочняющая обработка многоконтактным виброволновым инструментом (ШСИ - шарико-стержневой инструмент). Конструктивная схема инструмента представлена на рис. 3.

Рис. 3. Конструктивная схема инструмента

263

Как и в предыдущем эксперименте, виброволновому воздействию (нагружению) подвергалась только одна сторона (торец) образца. Результаты измерений представлены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты виброволнового воздействия подвергалась одной стороны

образца

Среднее значение НУ 200

Поверхность Лицевая

Исх. 150 146

Обр. 60,минут 175

В этом эксперименте также отмечено повышение НУ как по лицевой, так и по тыльной поверхности.

Исследовано виброволновое нагружение (виброволновая обработка в среде стальных шаров) пакета образцов состоящего из тонкой пластины толщиной 2,0 мм и двух призматических образцов высота которых составляла по 25 мм. (рис. 4).

¥

Рис. 4. Схема пакета образцов, закрепленных в оправке: I - образцы;

II- оправка; 1-2-3 и т.д. номера образцов; материал образцов АВТ1; продолжительность обработки 30 и 60 минут

Результаты измерения микротвердости «лицевой» и «тыльной» поверхности образцов представлены в табл. 4.

По результатам измерений микротвердости (Нм) отмечается повышение Нм с увеличением продолжительности обработки. при этом более стабильны показатели обработки в течении 60 минут. При обработке в течении 30 минут отмечается снижение микротвердости тонких образцов (пластин). Из партии этих образцов (тонких пластин) отмечается также и существенный разброс результатов - наличие повышения Нм и снижения.

Таблица 4

Результаты измерения микротвердости «лицевой» и «тыльной» поверхности образцов

№ образцов Сторона Микротвердость после обработки 1, мин

исх. 30, 60,

1 Л 716 730 +14 685 -31

Т 682 675 -7 713,4 +31,4

2 Л 705,5 689,9 -16,5 742,3 +36,8

Т 739,8 639 -100,8 762,8 +23

3 Л 636,7 678,3 +41,6 721,7 +85

Т 681,7 725,6 +43,9 731,6 +49

25 Л 625,4 720,5 +95 702,6 +77,2

Т 601,2 707 +105,8 698,2 +97

26 Л 612 720,5 +108 702,6 +90,5

Т 585,4 707 +122 698,2 +112,8

27 Л 585,1 653,7 +68,6 677,2 +92,1

Т 663,3 687,1 +24 745,1 +81,8

28 Л 702,7 673,3 -29 677,2 -25

Т 722,8 730,9 +8 745,1 +23

29 Л 642,8 692,5 +50 694,5 +52

Т 649,7 654,6 +5 652 +3

30 Л 642,3 696,6 +34 655,8 +43

Т 656,3 733 +77 730.8 +74

Исследованы другие варианты компоновки образцов в пакетах. На рис. 5 представлены результаты обработки пакета образцов при расположении тонкого образца (толщина 2 мм), материал-алюминиевый сплав АВТ1, между двумя призматическими образцами (высота 25 мм) материал-алюминиевый сплав Д16Т.

+6

_+9__

-12 АВТ1 -25 Д16Т

Рис. 5. Результаты обработки пакета образцов при расположении одного «тонкого» образца между двумя призматическими

Для обработки рассматриваемого пакета образцов отмечается повышение Нм призматических образцов и снижение микротвердости лицевой и тыльной сторон «тонкого» образца.

Следующая схема компоновки пакета образцов предусматривает расположение тонкого образца под двумя призматическими (рис. 6).

265

Для рассматриваемого пакета образцов характерно повышение Нм Л и Т сторон (различного уровня). Отмечено у второго по высоте образца превышение Нм тыльной поверхности по сравнению с лицевой (Т + 82; Л + 68).

Рис. 6. Картина повышение Нм

На рис. 7 представлена схема компоновки из 4 образцов при расположении двух «тонких» образцов под двумя большими (призматическими) - 10 х 10 х 2.

Рис. 7. Схема компоновки из 4-х образцов при расположении двух «тонких» образцов под двумя большими

Для расширения вариантов компоновки пакетов образцов проведены экспериментальные исследования виброволнового нагружения пакета из 3х «тонких» образцов (10 х 10 х 2) из алюминиевого сплава АВТ-1. Результаты эксперимента представлены на рис. 8.

Рис. 8. Представление результатов эксперимента

266

Особенностью результатов обработки пакета тонких образцов являет снижение Нм лицевой и тыльной сторон всех образцов, что несомненно представляет интерес для технологических операций, например, вибрационной стабилизирующей обработки.

Выводы

Выполнены экспериментальные исследования особенностей распространения и взаимодействия ударных волн при виброволновом (воздействии) нагружении металлических образцов цельных и сложного пакета, в том числе пакета из образцов различных размеров при различном их расположении в пакете.

Получены численные значения состояния микротвердости (Нм и НУ) лицевой (нагружаемой, деформируемой) поверхности и тыльной (противоположной, нагружаемой) поверхности. При этом получены результаты обработки, показавшие превышение микротвердости тыльной поверхности по сравнению с аналогичным значением показателя для лицевой поверхности, что является следствием взаимодействия отраженных волн.

Отмечено влияние продолжительности виброволнового нагружения на изменение микротвердости. При этом имеет место как повышение Нм НУ, так и снижение указанных показателей.

Наиболее заметное повышение Нм НУ отмечено у образцов больших размеров и массы.

Представляют интерес результаты виброволновой обработки пакета из трех «тонких» образцов, где отмечено снижение Нм НУ всех образцов пакета. Поученные результаты представляют интерес для решения таких технологических задач, как упрочняющая и стабилизирующая обработка, разборка и сборка, разделение пакета разнородных материалов, повышения эффективности механохимических покрытий.

Список литературы

1. Алимов О. Д., Манжосов В.К. Удар. Распространение волн деформаций и ударных системах. М.: Издательство «Наука» 1985. С. 342.

2. Бабичев А.П., Бабичев И. А. Основы вибрационной технологии. Ростов-на-Дону: ДГТУ, 1999. 621 с.

3. Отделочно-упрочняющая обработка деталей многконтактным виброударным инструментом / Бабичев А.П., Мотренко П. Д. [и др.]. ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2003. 191 с.

4. Меерс М.А., Мурр Л.Е. Ударные волны и явления высокоскоростной деформации металлов. М.: Метллургия, 1984. 482 с.

5. Фортов В.Е. Мощные ударные волны и экстремальные состояния вещества // РАН. Успехи физических наук. Т. 163. №5. 1993. С. 1-34.

6. Ахмадеев Н.Х.. Нигматулин Р.И. Динамическое откольное разрушение в волнах разгрузки. М.: ДАН СССР. 1982. Т. 266. №5. С. 1331-1134.

Бабичев Анатолий Прокофьевич, д-р техн. наук, проф., vibrotech@mail.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,

Мотренко Петр Данилович, д-р техн. наук, проф., vibrotech@mail.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,

Бирюков Дмитрий Дмитриевич, асп., vibrotech@mail. ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,

Бабичев Игорь Анатольевич, ген. директор, vibrotech@mail.ru, Россия, Ростов-на-Дону, ЗАО ««Комтех-плюс»,

Максимов Дмитрий Валерьевич, асп., vibrotech@mail.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет

INVESTIGA TION OF THE PROPAGA TION OF SHOCK WA VES IN A SOLID MEDIUM AND LA YERED METAL SAMPLES A T VIBRO WA VE LOADING

A.P. Babichev, P.D. Motrenko, D.D. Biryukov, A.O. Tverduha, D.V.Maximov

Presents the results of research on the propagation of shock waves in vibrowaves loading, change of state sample material at vibrowave processing. A new processing scheme using the multi vibrowave tool. During the effect was examined with the change of the reflected wave structure, not only the treated surface, but surface not receiving impact pulses. The propagation of shock waves through the stack of metal samples.

Key words:vibro wave tool, the impact force, plastic deformation, shock pulse.

Babichev Anatoly Prokofyevich, doctor of technical science, professor, vibro-tech@,mail.ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,

Motrenko Pyotr Danilovich, doctor of technical science, professor, vibro-tech@,mail.ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,

Biryukov Dmitry Dmitriyevich, postgraduate, vibrotech@,mail. ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,

Babichev Igor Anatolievich, director, vibrotech@,mail. ru, Russia, Rostov-on-Don, ZAO «Komtech-plus»

Maksimov Dmitry Valerievich, postgraduate, vibrotech@,mail. ru, Russia, Rostov-on-don, Don State Technical University