СПОСОБ РЕЛАКСАЦИИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
METHOD OF RESIDUAL STRESS RELAXATION

Изобретение относится к машиностроению и приборостроению, а именно к технологическим операциям релаксации остаточных напряжений в деталях.
Известен способ релаксации остаточных напряжений, включающий введение в контакт детали и инструмента, представляющего собой источник ультразвуковых колебаний, и поворот детали вокруг своей оси (RU 2140842 С1). Деталь закрепляют на неподвижной опоре в виде призмы, источник ультразвуковых колебаний устанавливают на жестко фиксированном расстоянии от опоры, поворот детали осуществляют периодически после некоторого времени обработки в каждом фиксированном положении детали.
Недостатками данного способа являются низкая производительность и низкое качество обработки, так как релаксация осуществляется неравномерно вдоль поперечного сечения детали, а также вдоль оси детали большой протяженности.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому (прототипом) является способ релаксации деталей ультразвуковым инструментом, прижимаемым к обрабатываемой поверхности с определенной силой и перемещаемым вдоль этой поверхности (RU 2252859 С1, В24B 39/04, 27.05.2005). Ультразвуковой инструмент представляет собой волновод, на торце которого закреплен съемный рабочий наконечник, выполненный из материала, соответствующего физико-механическим свойствам обрабатываемого материала.
Недостатками данного способа являются низкая производительность и низкое качество обработки, так как не регламентированы режимы обработки, в результате чего либо затрачивается излишнее время обработки, либо не полностью удаляются остаточные напряжения, либо могут возникнуть новые неблагоприятные напряжения в деталях.
Задачей настоящего изобретения является повышение качества и производительности обработки деталей.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе релаксации остаточных напряжений деталей ультразвуковым инструментом, прижимаемым к обрабатываемой поверхности с определенной силой и перемещаемым вдоль этой поверхности, силу прижима инструмента к детали выбирают из условия, чтобы она вызывала исключительно упругую деформацию детали на величину, большую или равную амплитуде колебаний инструмента, а подачу инструмента вдоль обрабатываемой поверхности ограничивают необходимостью сообщить детали за время обработки ультразвуковую энергию с учетом ее потерь, равную энергии образования остаточных напряжений в данной детали. Другим отличием является то, что детали подвергают ультразвуковой обработке как минимум дважды одним или одновременно несколькими ультразвуковыми инструментами, причем режим обработки каждой последующей обработки устанавливают в зависимости от эффективности предыдущих обработок.
Так как силу прижима инструмента к детали выбирают из условия возникновения исключительно упругой деформации детали, то при обработке не возникают новые напряжения, так как при пластической деформации детали после обработки возникает остаточная деформация, приводящая к неблагоприятному перераспределению остаточных напряжений. Если величина упругой деформации детали больше или равна амплитуде колебаний ультразвукового инструмента, то в процессе обработки деталь и инструмент будут непрерывно находиться в контакте, иначе эффективность обработки падает, а на поверхности детали может возникнуть наклеп. Ограничение подачи инструмента необходимо, чтобы за время обработки деталь получила с учетом потерь энергию деформации инструментом, достаточную для удаления остаточных напряжений, которая равна энергии образования этих остаточных напряжений в детали. Использование многократной обработки деталей ультразвуком позволяет повысить качество обработки, так как периодическое нагружение деталей и снятие нагрузки позволяет использовать меньшие нагрузки, более равномерно перераспределять напряжения в деталях и более своевременно закончить процесс обработки, не допуская возникновение новых нежелательных напряжений. Кроме того, многократная обработка деталей одновременно несколькими инструментами позволяет резко повысить производительность процесса.
На фиг.1 изображена схема релаксации напряжений длинной детали; на фиг.2 - схема релаксации остаточных напряжений в коротких деталях.
d
ν
Обрабатываемую деталь 1 (фиг.1), представляющую собой полый вал, устанавливают в центрах 2. К ней подводят инструмент 3, представляющий собой источник ультразвуковых колебаний, колеблющийся с частотой f, и прижимают его к детали с силой Р. Затем детали 1 сообщают вращение с частотой n, а инструмент 3 перемещают вдоль оси детали со скоростью S.
1
2
1
2
d
ν
При обработке коротких деталей 4 (фиг.2) их устанавливают на опору 5, представляющую собой механизм направления и перемещения деталей, и к ним прижимают с силой Р и Р и т.д. несколько инструментов 6 - источников ультразвуковых колебаний, колеблющихся с частотой f, f и т.д. Деталям 4 придают вращение с частотой n вокруг их оси и перемещают с подачей S вдоль обрабатываемой поверхности относительно инструментов 6. Режим обработки каждым последующим инструментом устанавливают в зависимости от эффективности обработки предыдущими инструментами.
Так как инструмент 3 озвучивает деталь 1 во всех ее сечениях, то осуществляется равномерная релаксация остаточных напряжений в поперечном сечении и по всей длине детали (фиг.1).
При обработке коротких деталей 4 (фиг.2) помимо этого повышается производительность, так как обработка осуществляется напроход. Кроме того, возможна установка нескольких инструментов 6, что дополнительно повышает производительность обработки.
u
о
Приведем численный пример. Обработке подвергают цилиндрическую кольцевую деталь с наружным диаметром D=20 мм и внутренним диаметром d=10 мм. Длина детали L=250 мм. Материал детали - сталь 40Х, имеющая предел упругости σ=280 МПа и модуль упругости Е=210000 МПа. Максимальная величина остаточных напряжений в детали равна σ=180 МПа. Для релаксации остаточных напряжений используется инструмент, колеблющийся с частотой f=20 кГц и амплитудой А=0,02 мм. Число инструментов равно k=1.
Силу прижима инструмента к детали определяем, с одной стороны, из условия недопустимости остаточной (пластической) деформации по формуле:
u
3
где σ - предел упругости материала детали, МПа; z - расстояние инструмента от левой опоры, мм; W - момент сопротивления изгибу, мм, равный:
Для указанного выше примера
Как видно, чем дальше находится инструмент от середины детали, тем допустимая нагрузка Р может быть больше. При перемещении инструмента в середину детали (z=0,5·L) допустимая нагрузка равна Р≤3299 H.
Но, с другой стороны, сила прижима инструмента к детали должна обеспечивать деформацию детали на величину, большую или равную амплитуде ультразвуковых колебаний. В противном случае потери энергии колебаний будут значительно возрастать.
Для длинных деталей это условие определяется выражением:
где J - момент инерции сечения детали, равный:
Для условий примера
Для длинных деталей обработка будет эффективной только при нахождении инструмента в средней части детали при 0,25·L≤z≤0,75·L. Иначе при жестком закреплении по краям детали ее деформация, а следовательно эффективность обработки, будет низкой.
ν
u
o
Экспериментально установлено, что часть энергии, полученной деталью в процессе ультразвуковой обработки, расходуется на преодоление внутреннего трения и на изменение ее температуры. Поэтому деталь при ультразвуковой обработке должна получить энергию, как правило, превышающую энергию релаксации напряжений. Исходя из этого подачу S вдоль обрабатываемой поверхности выбирают из условия, чтобы энергия ультразвуковых колебаний e за время обработки превышала энергию e, необходимую для релаксации остаточных напряжений с учетом ее потерь:
u
p
o
e≥K·e,
p
где K - коэффициент потери энергии при ее передаче от источника ультразвуковых колебаний к детали.
p
Коэффициент потери энергии возрастает с увеличением разницы между частотой собственных колебаний детали и частотой колебаний инструмента. В условиях примера K=70.
Энергия ультразвуковых колебаний определяется из равенства:
,
i
i
i
i
где P, A, f, τ - соответственно сила прижима, амплитуда колебаний, частота колебаний и время обработки i-м инструментом;
k - число инструментов - источников ультразвуковых колебаний.
В свою очередь время обработки равно:
,
f
где L - эффективная длина перемещения инструмента.
f
f
Эффективная длина перемещения инструмента равна длине обрабатываемой поверхности L=L для коротких деталей и L=0,5·L для длинных деталей, жестко закрепленных по краям;
тогда
Если режим обработки каждым инструментом одинаковый, то
Энергия, необходимая для снятия остаточных напряжений, равна энергии образования напряжений. Энергия деформации изгиба детали (фиг.1) равна:
z
где σ - напряжение изгиба в сечении z, МПа.
Например, если характер распределения остаточных напряжений в детали соответствует характеру возникновения напряжений при простом изгибе от действия равномерно распределенной нагрузки, то в этом случае
о
ν
Подставляя данное выражение в предыдущее равенство, после преобразований получим е=0,157 Дж. Тогда из равенства (3) определим S=9,8 м/мин.
Если вместо одного инструмента при обработке данной детали использовать k инструментов, то, как следует из равенства (4), подача инструмента может быть в k раз больше и, следовательно, во столько же раз уменьшится машинное время и тем самым увеличится производительность обработки.
При обработке коротких деталей также повышается производительность обработки, так как обработка осуществляется напроход. При этом время установки и снятия детали перекрывается машинным временем и исключается время на подвод и отвод инструмента. Обычно эти потери составляют от 20% до 50% штучного времени. Поэтому производительность обработки предлагаемым способом повышается в 1,25-2 раза.
Технико-экономическая эффективность предложенного способа обработки заключается в следующим.
1. В повышении качества обработки за счет ограничения деформации детали в процессе обработки и ограничения подачи инструмента, что позволяет полностью удалить остаточные напряжения и не допустить образование новых напряжений.
2. В повышении производительности обработки за счет обеспечения величины деформации детали, большей или равной амплитуде колебаний инструмента, и за счет использования при обработке одновременно нескольких инструментов.
3. В повышении качества обработки за счет использования многократной обработки малыми дозами ультразвуковой энергии, так как это позволяет осуществить более равномерную обработку детали и во время прекратить процесс, не допуская возникновение новых напряжений.
4. В расширении технологических возможностей способа за счет расширения номенклатуры обрабатываемых деталей и области применения способа.
Источники информации
1. RU 2140842 С1.
2. RU 2252859 С1, В24В 39/04, 27.05.2005 - прототип.