Повышение надежности и качества механических соединений путем ультразвуковой финишной обработки цилиндрических поверхностей

Шуваев В.Г., Лаптев В.А., Шуваев И.В. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И КАЧЕСТВА МЕХАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ПУТЕМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Технический результат заключается в расширении технологических возможностей ультразвуковой обработки за счет целенаправленного формирования микрорельефа поверхностей деталей с заранее заданными характеристиками с целью улучшения их эксплуатационных свойств, увеличении степени деформации поверхностных слоев, улучшении качества обработанной поверхности, повышение надежности и долговечности ее работы, сокращение длительности приработки.

Износ пар трения, как правило, начинается с поверхности и происходит в зоне контакта их микронеровностей, что объясняется тем, что поверхностные слои оказываются наиболее напряженными, являются границей раздела фаз и подвергаются активному воздействию внешней среды. Состояние рабочей поверхности детали оказывает влияние на ее эксплуатационные свойства: износостойкость, усталостную прочность, коррозионную стойкость и др. Важным фактором, влияющим на эксплуатационные свойства пар трения, является микрогеометрия и физико-механические свойства контактирующих поверхностей деталей соединений. В связи с этим качество поверхности и приповерхностной зоны является главным фактором, определяющим эксплуатационные свойства деталей, и зависит от характеристик материала детали и методов обработки [1].

Одним из направлений повышения надежности и качества соединений является регуляризация микрорельефа на поверхностях деталей соединений путем ультразвуковой финишной обработки, что способствует сокращению длительности приработки, повышению эффективности теплопередач, замене дорогостоящих материалов конструкционными, сокращению трудоемкости изготовления деталей, повышению точности и долговечности [2].

Авторами разработаны способ и устройство для ультразвуковой финишной обработки наружных цилиндрических поверхностей вращающихся деталей [3], позволяющие направленно регулировать параметры формируемого микрорельефа поверхности детали и проводить химическую модификацию поверхности.

Известно [4], что через короткое время приработки в любой паре трения наблюдается весьма существенное отличие свойств материала поверхностного слоя глубиной порядка нескольких микрометров от состояния материала после технологической обработки. Самые существенные изменения происходят вследствие силового и температурного воздействия трения, что приводит к деформации (наклепу), текстурированию материала, изменению его элементного состава (перенос вещества из контртела и внешней среды), химической модификации (преимущественно образованию оксидов), изменению плотности, теплопроводности и др. характеристик. Химическая модификация происходит в результате приработки поверхности образца в среде смазочного материала. В процессе трения, под действием высоких температур и давлений в зоне фактического пятна касания происходит деструкция молекул смазочного материала с образованием активных центров (свободных радикалов) и их химическое взаимодействие с металлом. Одновременно изменяется химический состав и свойства смазочного материала за счет взаимодействия с кислородом, другими компонентами среды и материалом поверхности твердых тел. При термомеханической деструкции молекул смазочного материала, нанесенного на поверхность металлического образца, и химическом взаимодействии свободных радикалов и атомов металла со смазкой образуются новые связи между разнородными атомами, что приводит к повышению энергии решетки металла. При этом из-за малости температуры термодеструкции смазочных материалов по отношению к температуре фазовых переходов в металле, в процессе модификации сохраняется исходная кристаллическая структура в поверхностном слое образца, но меняется его химический состав.

При введении ультразвука растет энергия тела и повышается адгезионная способность металла к смазке, кроме того, ультразвуковые колебания способствуют развитию дефектов структуры (микротрещин, микропор), обеспечивают активное воздействие адсорбционных слоев. При пульсации поверхностных микрорельефов, заполненных смазкой, периодически происходит ее вытеснение и разрыв мостиков схватывания, происходит пластифицирование поверхностного слоя обрабатываемого металла вследствие расклинивающего действия смазки и адсорбционного эффекта понижения твердости. Ультразвук способствует ускорению химических реакций на контактной поверхности и образованию защитных пленок, наблюдается и чисто механическое воздействие ультразвука, что сказывается в распылении жидкости и ее более равномерном распределении по контактной поверхности. Из-за различия амплитуд колебаний инструмента и поверхности детали происходит пульсация зазора, которая способствует засасыванию жидкости, аналогичную роль играет сильно разветвленная сеть микротрещин, изменяющая свои размеры под действием колебаний.

Основная идея заключается в направленном формировании сложной траектории движения деформирующего элемента путем раздельного воздействия на него по трем координатам. Если система участвует в колебаниях, которые происходят в двух направлениях, а именно вдоль осей х и у прямоугольной системы координат:

* = Хт + ф0*)>

У = ?т + ф0 у X

то результирующее отклонение в момент времени t определяется как их векторная сумма. Практический интерес представляет изучение траектории движения при сложении колебаний, описываемых вышеприведенными уравнениями. Если соединить результирующие отклонения в различные моменты времени линией, то получается траектория результирующих колебаний в плоскости х, у. При этом возникают сложные кривые, которые называются фигурами Лиссажу. Лишь в случае одинаковых частот получаются эллипсы с различным эксцентриситетом (включая прямую и окружность). Форма фигуры Лиссажу зависит от отношения частот и разности начальных фаз, причем фигура остается неизменной, если отношение частот представляет собой рациональное число; в противном случае траектории не повторяются и фигура Лиссажу непрерывно изменяется. Отметим следующее свойство кривых Лиссажу: если частоты (или периоды) колебаний соизмеримы, то движение будет периодическим, а кривые будут замкнутыми (точка будет описывать одну и ту же кривую, непрерывно повторяя ее); если же периоды колебаний несоизмеримы, то точка никогда не попадет на старое место, оставаясь в границах квадрата или прямоугольника и делая все новые и новые петли (фигура Лиссажу никогда не замкнется). Таким образом, возможно формирование различных типов микрорельефов.

На рисунке 1 изображена структурная схема устройства для ультразвуковой финишной обработки цилиндрических поверхностей. Устройство содержит концентратор 1 на выходном конце (торце) которого размещается деформирующий элемент - шарик 2. С входным концом концентратора соединены волноводы

3, 4, 5, которые в свою очередь, связаны с магнитострикционными преобразователями 6, 7, 8. Преобразователи крепятся на стойках 9, которые закреплены на плите 10. Позиция 11 - это обрабатываемая деталь, 12 - резервуар для подачи масла на обрабатываемую поверхность детали 11.

Ультразвуковые продольные колебания, создаваемые магнитострикционным преобразователем 8 через волновод 5 передаются концентратору 1. Деформирующий элемент - шарик 2, закрепленный на выходном торце концентратора 1, получает продольные колебания с частотой 18000-23000 Гц и амплитудой до 10-20 мкм. Одновременно концентраторы 6 и 7 через волноводы 3 и 4 передают поперечные колебания (в двух перпендикулярных плоскостях) на концентратор 1.

а) б)

Рисунок 1. Устройство для ультразвуковой финишной обработки цилиндрических поверхностей: а) -вид спереди; б) - вид сзади

Устройство может быть размещено на суппорте токарного станка (на чертеже не показан) и закрепляется с помощью винтов через отверстия в плите 10. Обрабатываемая деталь 11 устанавливается в патроне или центрах. Усилие прижима концентратора 1 с деформирующим элементом - шариком 2 к обрабатываемой поверхности детали 11 создается за счет поперечного перемещения суппорта станка. Подача масла на обрабатываемую поверхность детали 11 из резервуара 12 осуществляется непрерывно в течение всего цикла обработки поверхности детали. В качестве источников ультразвуковых колебаний используются ультразвуковые генераторы типа УЗГ 3-4, к которым подключаются магнитострикционные преобразователи. Простота конструкции данного устройства позволяет использовать стандартные элементы и применять его без дополнительных затрат на переналадку оборудования и использовать универсальные токарные станки.

Предлагаемый способ ультразвуковой финишной обработки наружных цилиндрических поверхностей позволяет повысить гибкость обработки, реализовать новые классы микрорельефов, получение которых традиционными методами невозможно, исключить ряд жестких ограничений, вызванных конструктивными особенностями применявшейся оснастки. Способ дает возможность повысить степень деформации поверхностного слоя, сократить длительность приработки трущихся деталей, осуществить химическую модификацию поверхности металлического образца при ультразвуковом разрушении смазочных материалов. Простота конструкции данного устройства позволяет использовать стандартные элементы и применять его без дополнительных затрат на переналадку оборудования и использовать универсальные токарные станки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин [Текст] / А.Г. Суслов - М.: Машиностроение, 2000. - 320 с. - 13БЫ 5-217-02 97 6-5.

2. Нерубай, М.С. Физико-технологические методы обработки и сборки [Текст] / М.С. Нерубай, В.В. Калашников, Б.Л. Штриков, С.И. Яресько. - М: Машиностроение-1, 2005. - 396 с. - 13БЫ 5-94275-1722.

3. Положительное решение № 2008135868 от 15.03.2010 на выдачу патента на изобретение «Способ ультразвуковой финишной обработки наружных цилиндрических поверхностей и устройство для его реализации»/ Шуваев В.Г., Папшев В.А., Шуваев И.В.

4. Трибология. Исследования и приложения: опыт США и стран СНГ. Под ред. В.А. Белого, К. Луде-мы, Н.К. Мышкина. - М.: Машиностроение, Нью-Йорк: Амертон пресс, 1993, - 454 с.