Расчет изменения энергии активации поверхности подвергнутой ультразвуковой обработки

УДК 621.793 К.В. Зайцев

РАСЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ПОДВЕРГНУТОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ

Приведены результаты расчетов по изменению энергии активации поверхности после ультразвуковой обработки. Показано, что ультразвуковая обработка снижает энергию активации обрабатываемой поверхности, что в свою очередь может повлиять на прочность соединения покрытий напыляемых на основу, подготовленную ультразвуковой обработкой.

Ключевые слова: ультразвуковая обработка, энергия активации, адгезия.

Для выявления влияния ультразвуковой обработки на изменение энергии активации поверхности используемой как основа для нанесения покрытий методом высокоскоростного газотермического напыления были выполнены представленные расчеты.

Обработка металлической поверхности механическими методами оказывает заметное влияние на величину энергии активации [1]. Пластические деформации, возникающие в процессе обработки, порождают многочисленные дефекты в кристаллической решетки материала. Атомы в несовершенной кристаллической решетке обладают более высокой потенциальной энергией, что приводит к уменьшению энергии активации.

Одним из видов механической обработки поверхности является ультразвуковая обработка [2]. Сущность ультразвуковой обработки заключается в том, что поверхность детали после механической обработки (как правило, резанием) подвергается воздействию ультразвукового инструмента колеблющимся с ультразвуковой частотой. На торце ультразвукового концентратора закрепляется твердосплавный шарик. Особенностью ультразвуковой обработки является возникновение быстро чередующихся деформаций сжатия и сдвига [3]. Принципиальная схема ультразвуковой обработки показана на рис. 1 [3].

Ультразвуковая установка действует следующим образом. Генератор вырабатывает высокочастотный сигнал, заданной мощности.

Рис. 1. Схема ультразвуковой обработки: 1 - обрабатываемая деталь, 2 - шарик из твердого сплава, 3 - магнитострикционный преобразователь

Магнитострикционный преобразователь 3 преобразует электрические колебания в механические. Концентратор повышает плотность механической энергии. Шарик из твердого сплава 2 воздействует на поверхность обрабатываемой детали 1 [4]. При этом часть подведенной механической энергии расходуется на изменение структуры материала в поверхностном слое детали. Остальная энергия рассеивается. Магнитострикционный преобразователь закреплен на суппорте токарного станка. В процессе обработки суппорт обеспечивает непрерывное перемещение вдоль оси вращения обрабатываемой детали. Мощность ультразвуковой установки 250 Вт, частота колебаний 25 кГц, диаметр шарика 5 мм. Амплитуда колебаний 10 мкм. Обрабатываемый материал - сталь 20, с пределом текучести 360 МПа.

При оценке величины изменения энергии активации при поверхностной ультразвуковой обработке, будем исходить из предположения, что энергия, расходуемая на изменение структуры материала в поверхностном слое, идет на увеличение потенциальной энергии атомов в этом слое.

Для выполнения оценки воспользуемся экспериментальными данными [5, 6] о микрогеометрии поверхности после ультразвуко-

вой обработки. После ультразвуковой обработки поверхность покрыта канавками, ширина которых равна Н, а глубина к Ширина канавки равна шагу подачи инструмента. Величина шага подачи инструмента не равна характерному размеру области контакта ин-дентора (шарика) с металлом Н0, поэтому Н0^Н. Если шаг подачи меньше Но, то, двигаясь, шарик не только формирует новую канаву шириной Но, но и меняет размер соседней канавки от Но до Н. При поступательном движении подачи индентор каждый раз деформирует небольшой объём материала (рис. 2). Принятая схема взаимодействия шарика с поверхностью показана на рисунках 2 и 3. Будем полагать, что для шага подачи 1 и для шага подачи 2 выполняется соотношение (1), то есть сечения канавок 1 и 2 геометрически подобны.

Н и

к

периодическое

движение

движение

подачи

деформированный

объём

Рис. 2. Схема деформирования поверхности шариком в процессе ультразвуковой обработки

Рис. 3 Схема размеров канавок в результате деформирования поверхности в процессе ультразвуковой обработки

Оценим динамичность процесса ультразвуковой обработки. Скорость распространения возмущений в стали около V« 5000 м/с, частота колебаний твердосплавного индентора v = 24000 Гц. За время одного колебания возмущение распространится на расстояние:

V

L = — « 0,2 м v

Характерный размер Н0 поверхности контакта (рис. 3) для исследуемых металлов ~ 1 мм. Тогда:

— « 200 H 0

Определим максимальную скорость движения шарика:

Vmax = 2Vmax ,

где Xmax - амплитуда колебаний индентора, Xmax ~ 10 мкм. Vmax= 15 м/с

В этом случае процессы, происходящие при вдавливании шарика в поверхность металла, можно рассматривать как квазистати-ческие.

Затраты энергии на образование канавки единичной длины можно определить рассматривая вдавливание плоского круглого штампа единичной длины. Сила, прилагаемая к штампу, определяется выражением [7]:

F = 2kR •

где k = , cs - предел текучести материала образца; R - эффек-

л/э

тивный радиус канавки; у - угол, как показано на рис. 3. Совершенная работа равна:

h

A = JF • dh ,

0

где h - текущее значение глубины вдавливания шарика.

Из рис. 3 видно, что:

* R - h

cos у =---------,

R

Из уравнения (4) находим:

у = arccos 1---------

М * = R • sm(у*)dу*.

С учетом (5) и (6) интеграл (3) принимает вид:

А = |F • R • Бт(у*)й?у* .

о

Подставляя в (7) выражение (2) и выполняя интегрирование, получаем:

Используя значения Н = 150 мкм и h = 1,125 мкм, полученные из экспериментов [6, 7] для подачи 0,15 мм/об, найдем значение R из соотношения:

Для других величин подачи ультразвукового инструмента, глубина канавки находится с учетом выражения (1).

Теперь, из (8), определяется работа, затраченная на создание канавки длиной 1 м, шириной Н и глубиной к

Согласно [7], область пластических деформаций простирается в глубину на величину Н/2. Величина Н/2 существенно больше ^ и канавки, согласно экспериментальным данным [5, 6], расположены на поверхности материала плотно, без явных промежутков. Поэтому можно считать, что энергия, которую получает поверхностный

R

2h

слой материала при совершении работы А, распределяется в объеме (Н2)/2.

Величина изменение энергии активации поверхности подвергнутой ультразвуковой обработки

Н, мкм Ь, мкм ДЕ, Дж/атом

50 0,375 1,516-10"19

150 1,125 0,506-10"19

250 1,875 0,3-10-19

Определим изменение энергии активации ДЕ. Плотность стали 7810кг/м3. Молярная масса железа 55,847г/моль. Число Авогадро 6,02-1023. Величина изменение энергии активации ДЕ для различных величин подачи инструмента представлена в таблице.

Заключение

1. В результате выполненных расчетов определена величина изменение энергии активации поверхности стали 20 подвергнутой ультразвуковой обработке на разных режимах.

2. Ультразвуковая обработка создает на поверхности регулярный микрорельеф, параметрами которого возможно варьировать, изменяя режимы ультразвуковой обработки, обеспечивает модифицирование структуры поверхностного слоя и снижает энергию активации поверхности, что может благоприятно повлиять на увеличение сил адгезионного взаимодействия при напылении покрытий высокоскоростными газотермическими методами.

3. Ультразвуковая обработка предлагается в качестве способа подготовки поверхности основы под нанесение покрытий высокоскоростным газотермическим методом, когда классическая струйно-абразивная обработка недопустима по эксплуатационным или технологическим соображения.

--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. Под ред. Б.С. Митина. М., Металлургия, 1987 - 792 с.

2. Макаров А.И. Ультразвуковая обработка материалов. - М.: Машиностроение, 1980. - 237 с. ил.

3. Абрамов О.В., Хорбенко И.Г., Швегла Ш. Ультразвуковая обработка материалов / Под ред. О.В. Абрамова. - М.: Машиностроение, 1984. - 280 с., ил.

4. Ультразвуковой технологический комплект УЗТК-02. Руководство по эксплуатации.

5. Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Зайцев К.В., Толмачев А.И. Исследование адгезии покрытий, полученных высокоскоростным газопламенным напылением // Известия томского политехнического университета 2007г. Том 310 № 3, Стр. 57-61.

6. Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Ульяницкий В.Ю., Зайцев К.В., Борозна В.Ю. Влияние ультразвуковой обработки основы на формирование покрытия при детонационном напылении // Технология машиностроения 2008 г. № 7. с. 22-26.

7. Соколовский В.В. Теория пластичности. Государственное издательство технико-теоретической литературы, М., 1950. - 320 с. IIIЫ=]

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ

Зайцев К.В. - ст. преподаватель, Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета, етаП: zaitsev81@rambler.ru