Физико-технологические особенности ультразвуковой механической обработки

Механика и машиностроение

УДК 621.952.529.229

ФИЗИКО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ

© 2011 Н.Д.Папшева, О.М.Акушская Самарский государственный технический университет

Поступила в редакцию 10.11.2011

Перспективным направлением применения энергии ультразвука является интенсификация процессов механической обработки, в том числе отделочно-упрочняющей, когда наряду с основными движениями, предусмотренными кинематикой процесса, формообразующему инструменту сообщаются ультразвуковые колебания. Несмотря на то, что это направление ультразвуковой технологии получило развитие сравнительно недавно, ультразвуковая

механическая обработка заняла прочное место в ряду других физико - химических методов. Это обусловлено рядом положительных особенностей данных процессов, к числу которых относятся высокая производительность, значительное снижение сил, повышение эксплуатационных характеристик деталей машин и инструментов.

В ультразвуковом поле происходит существенное снижение сопротивления

пластическому деформированию и изменение характера фрикционного взаимодействия

контактирующих поверхностей, которое имеет молекулярно - механическую природу. Молекулярное взаимодействие обусловлено

взаимным притяжением двух твердых тел - их адгезией; механическое - взаимным внедрением микронеровностей сжатых поверхностей.

Адгезионное взаимодействие происходит в

тонких слоях трущихся поверхностей инструмента и заготовки, а механическое распространяется на значительную глубину. Интенсивность

молекулярного взаимодействия оценивают безразмерным критерием t / ос (где t - сопротивление

на сдвиг молекулярной связи; ос - предел текучести).

Критерием, оценивающим интенсивность

механического воздействия, является относительная глубина внедрения единичной неровности h \ р (где h - глубина внедрения; р- радиус закругления внедряющейся единичной неровности).

Механизм воздействия ультразвука на

трибологические особенности процессов механической обработки обусловлен изменением кинематики контактного взаимодействия и характера физико - химических процессов в зоне трения [1].

В частности, при введении ультразвуковых

тангенциальных колебаний в зону трения

изменение силы трения F существенно зависит от соотношения скоростей скольжения образца Vс и колебательной скорости Vr Когда Vс < Vr, сила трения действует в направлении вращения образца и является активной, а в остальное время она направлена в противоположную сторону и является реактивной (рис.1а). С увеличением скорости скольжения и уменьшением амплитуды колебаний эффективность воздействия ультразвука будет снижаться.

При этом зависимость силы трения от скорости скольжения носит экстремальный характер и существует оптимальное значение колебательной скорости, при которой силы трения принимают минимальное значение.

При введении ультразвуковых колебаний нормально к вектору силы трения (рис.1б), время контакта поверхностей уменьшается с возрастанием амплитуды колебаний.

Рис.1.Схемы наложения ультразвуковых колебаний 1-волновод, 2- образец, 3-преобразователь.

Взаимодействие контактных элементов может быть дискретным или постоянным при наличии между ними постоянного скользящего акустического контакта. При дискретном

взаимодействии напряжения на поверхности

контакта периодически изменяются от максимального (в момент контакта инструмента и заготовки) до нуля при наличии зазора между ними. При постоянном акустическом контакте силы

1173

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011

трения уменьшаются вследствие периодического изменения микрогеометрии контактирующих поверхностей, превращения на некоторых участках контакта реактивных сил трения в активные. В данном случае относительное снижение силы трения составит:

KF - у,'

гл

где Fo - сила трения в обычных условиях;

Fy - сила трения при ультразвуковом

воздействии.

С учётом относительного времени контакта tk

Kf = 1 -

Fy Pk К T

На рис.2 приведены зависимости коэффициента трения р от скорости относительного перемещения для пары ст. 45 - Р9К5. Как видно, введение ультразвуковых тангенциальных колебаний приводит к снижению р ~ в 2,5 раза в районе небольших скоростей, с увеличением V эффективность воздействия ультразвука несколько снижается.

Рис. 2. Зависимость коэффициента трения р от скорости относительного перемещения V и амплитуды тангенциальных колебаний £ для пары ст.45 - Р9К5: 1- £ = 0; 2- £ = 5мкм;

3- £ = 10мкм.

Установлено, что снижение коэффициента трения происходит за счёт уменьшения как молекулярной, так и деформационной составляющих коэффициента трения. При этом снижение сил трения F^. в условиях ультразвукового воздействия в основном обусловлено уменьшением времени

контактирования и снижением сопротивления пластическому деформированию в зоне контакта [2].

Независимо от направления колебаний существует оптимальное сочетание режимов трения, при котором величина F^. минимальна. При

тангенциальных колебаниях F^. является функцией

колебательной скорости Vk и может быть

определена из выражения FIp =

У {

signV = +1 приУ > 0

signV = -1 npuV < 0

где /i - коэффициенты, определяемые

экспериментально. При этом оптимальное значение колебательной скорости находится в интервале

2,2..2,6 м\с, что при частоте ультразвуковых

колебаний / = 20 кГц соответствует амплитуде 17...20 мкм, а при /= 40кГц - 9.. .10 мкм.

Установлено, что фрикционное взаимодействие с радиальными ультразвуковыми колебаниями характеризуется двумя конкурирующими факторами: снижением сил трения в результате разрыва контакта и их увеличением за счёт роста фактической площади контакта (п), определяемой амплитудой и удельными давлениями (p). В частности, при взаимодействии стальных деталей с эталонными мерными плитками п может быть определена из зависимости

п = 0,67 p , £ , ,

где £ - амплитуда ультразвуковых колебаний.

Совместное действие указанных факторов обуславливает экстремальный характер зависимости коэффициента трения от амплитуды с максимальным его значением при £ = 6 мкм (/ = 20кГц). При этом увеличение фактической площади контакта деталей из закаленных сталей происходит вследствие упругой деформации микрорельефа и достижения уровня контакта низлежащими неровностями, а незакаленных- в результате пластической деформации микрорельефа [3].

Изменение условий контактного взаимодействия поверхностей под воздействием ультразвука и сопутствующие трибологические процессы оказывают существенное влияние на механизм изнашивания. На основании анализа полученных результатов, в том числе электронномикроскопического исследования

поверхностей контакта, установлено, что при введении ультразвука в зону трения при относительном перемещении контактирующих поверхностей единичная адгезионная связь подвергается совместному действию квазистационарных и циклических тангенциальных или нормальных напряжений, что приводит к развитию усталостных явлений и последующему поверхностному разрушению (изнашиванию) зоны контакта. Это создает условия для сокращения в десятки раз времени приработки подвижных

1174

Механика и машиностроение

соединений с образованием равновесной шероховатости.

Исследование энергетического состояния

контактирующих поверхностей методом

экзоэлектронной эмиссии(ЭЭЭ) показало, что как обычное, так и ультразвуковое трение повышает их эмиссионную активность, причем независимо от направления колебаний введение в зону трения ультразвука приводит к более значительному возрастанию интенсивности эмиссионного тока. Указанный эффект в большой степени проявляется при радиальных колебаниях (£ > 6мкм) и растет пропорционально амплитуде колебаний [3].

Одновременно с ростом ЭЭЭ в поверхностном слое происходят интенсивное дробление блоков мозаики, развитие микроискажений и увеличение плотности дислокаций. Так, средняя по глубине 100 мкм плотность дислокации N • 10"11 см возрастает при обычном трении с N = 0,8 у отожженных образцов от N = 1,7 до N= 2,2 и 3,1 соответственно при трении с тангенциальными и радиальными

колебаниями.

Указанные особенности трения в ультразвуковом поле объясняются тем, что введение ультразвука сопровождается структурно - термической

активацией контакт-ных поверхностей, повышением их энергетического состояния.

Как известно, фрикционное взаимодействие в трибомеханических системах сопровождается

изнашиванием трибоэлементов, которые в условиях ультразвукового воздействия можно рассматривать как процесс поверхностного усталостного разрушения в результате накоплений и последующего отделения продуктов износа.

Введение в зону трения ультразвуковых колебаний и относительное перемещение контактирующих поверхностей сопровождается многократными актами образования и разрушения узлов схватывания, в результате чего локальные объемы формообразующих инструментов или деталей соединения подверга-ются циклическому знакопеременному нагру-жению. Это в свою очередь приводит к развитию усталостных явлений и последующему адгезионно - усталостному разрушению (изнашиванию) зоны кон-такта.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. М.: Машиностроение, 1986. 237с.

2. Вологин М.Ф., Калашников В.В., Нерубай М.С., Штриков Б.Л. «Применение ультразвука и взрыва при обработке и сборке» М.: Машиностроение, 2002. 263с.

3. Нерубай М.С.,Папшева Н.Д., Штриков Б.Л. Эффективность применения ультразвука при механической обработке, упрочнении и сборке. Вестник СамГТУ . Самара.2004.

PHYSICAL- TECHNOLOGICAL CHARACTERISTICS OF ULTRASONIC MACHINING

© 2011 Papsheva N.D., Akushskaya O.M.

Samara State Technical University

1175