Устройство для аэроакустической обработки изделий из металлов и сплавов

В связи с разработкой новых материалов, увеличения объемов требований, предъявляемых к вновь разрабатываемым изделиям, возникает необходимость разработки новых способов обработки материалов (Воробьева, Г.А. Аэротермоакустическая обработка сталей и сплавов / Г.А. Воробьева, В.Н. Усков; Балт. гос. техн. ун-т. – СПб., 2012. – 132 с. ISBN 978-5-85546-669-0).
Заявляемое техническое решение относится к областям металлургии и машиностроения, в частности, к способам и устройствам термической, термо-деформационной и деформационной обработок металлов. Оно может быть использовано как для проведения дополнительной к стандартной, так и в качестве промежуточной технологии при термической и других видах упрочняющих обработок.
Повышение механических свойств сталей и сплавов обеспечивается проведением стандартных технологий упрочнения: термической обработки (т.о.), включающей закалку и отпуск сталей, закалку и старение сплавов (СТО); термодеформационной обработки, где кроме термической обработки используется пластическая деформация, а также холодная пластическая деформация.
В технике известны способы термической обработки, комбинированной с другими технологиями, для получения повышенных свойств изделий из металлов и сплавов, в том числе, при помощи мощного воздушно-звукового воздействия. Так в патенте РФ №2100456 изложен способ т.о. сталей и сплавов. В патентах: РФ №2704953, 2635113 способ т.о. обработки сплавов титана, РФ № 2389821 – т.о. сплавов алюминия и бронз. Для осуществления подобного воздействия применяется устройство генерирующее мощное акустическое поле и одновременно высокоскоростные воздушные потоки
При проведении АТАО изделие, предварительно нагретое до требуемой температуры, помещается в камеру-резонатор, на его основание, а охлаждение проводится в потоке воздуха и воздействия акустического поля.  Скорость охлаждения частей изделия с разной толщиной стенки будет отличаться, что может приводить как к образованию разной структуры так и величины уровня остаточных напряжений. При этом механические свойства могут быть ниже ожидаемых.
Кроме того, деформированные материалы анизотропны (свойства их зависят от направления исследования). При одинаковых рабочих параметрах установки свойства сплавов будут определяться и их положением по отношению к направлению потока газа. [Г.А.Воробьёва, В.Н.Усков Аэотермоакустическая обработка сталей и сплавов. СПб БГТУ, 2012, с.130.], а также  результаты механических испытаний образцов из стали 40, после нормализации и с обработкой по  схемам  режимов с разной ориентацией образцов по отношению к потоку воздуха Р1(вдоль) и Р2(поперёк) приведены в табл.1.
Таблица 1.
Механические свойства  стали 40 после предварительной термической обработки и АТАО.
Режим обработки
Положение образцов по отношению к потоку воздуха
HRВ
HB, МПа
σв МПА
δ,%
Исх.*
После АТАО
Исх.
После АТАО
Исх*.
После АТАО
Р1
Вдоль
92
92
1900
1900
600
600
18
Р2
Поперек
92
98
1900
2150
600
720
16
в
Свойства стали40 в сост. поставки (нормализация): HB=1560-1979 МПа,σ -530 МПА δ-20% (Марочник сталей и сплавов. Машиностроение. под ред. Сорокина В.Г. Москва Машиностроение 1989г.)
Для стали 40 более высокие значения прочности достигаются при обработке по режиму Р2 (положение образца поперек потока) при снижении уровня пластичности. Более высокий комплекс свойств может быть получен при АТАО, если положение образца в процессе обработки будет чередоваться (вдоль-поперек).
При проведении термической обработки изделий из металлов и сплавов по схеме АТАО используется устройство для охлаждения сплавов (RU 203378), состоящее из двух сочленённых камер, одна из которых выполняет функции камеры-ресивера, а другая является камерой-резонатором, на стыке камер оно оборудовано газоструйным генератором звука типа пневматического дросселя «сопло-заслонка», а также средствами загрузки изделия, подачи рабочей среды, средствами управления, контроля и регулировки, в качестве рабочего газа для возбуждения мощных акустических волн звукового диапазона используется воздух. По конструктивному исполнению это устройство принимаем за ближайший аналог.
Задачей настоящей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего повышение комплекса механических свойств при проведении термической обработки для изделий  из металлов и  сплавов. Задача решается применением контейнера с установленными в нем изделиями, выполненного  из металлической сетки, который устанавливается в объёме камеры-резонатора в её нижней части в точке максимального обдува рабочей средой, на опорное приспособление в виде стандартного столика, размерами меньше, чем камера-резонатор для беспрепятственного вращения внутри неё, столешница которого снабжена средствами крепления  к нему контейнера (например, винтами) и закреплена на валу электродвигателя, конструктивно размещённого в каркасе опоры-столике и обеспечивая при включении установки её вращение в рабочей среде в заданном направлении и с изменяемой, регулируемой скоростью, что обеспечивает равномерное воздействие потока воздуха и акустических полей на изделия, помещенные в контейнер. Достигаемый результат применения полезной модели заключается в повышенных показателях прочности по сравнению с исходными свойствами при необходимой пластичности, как для стали, так и для сплавов за счет обеспечения равномерного воздействие потока воздуха и акустических полей на все сечение изделий, помещенных в контейнер.
Принципиальная схема установки для проведения упрочняющей термической обработки представлена на фигуре 1.
Устройство включает две сочлененные камеры: камеру-резонатор 1, с клином 2, при этом камера-резонатор соединен с камерой-ресивером 3, в который через штуцер 4 поступает сжатый воздух, давление которого контролируется с помощью манометра, соединяемого с дополнительным штуцером. Камера-ресивер регулирует давление воздуха, поступающего через газоструйный генератор звука типа пневматического дросселя с соплом-заслонкой 5 в камеру-резонатор ГГЗ, в который помещается контейнер с изделиями 6 и соединяют его с устройством, схема которого представлена на фигуре 2, где 7 – столик; 8 – опора столика; 9 – ось; 10 – втулка подшипника; 11 – подшипник; 12 – болт; 13 – шайба; 14 – винт; 15 – изделие.
Устройство работает следующим образом: контейнер с установленными в нем изделиями (контейнер с изделиями может быть нагрет в электропечи (необходимость предварительного нагрева до определенной температуры или проведение обработки без нагрева зависит от состава сплава и технологии упрочнения),закрепляют на поверхности столика, находящегося в камере-резонаторе, представляющем камеру на открытом конце которой имеется фиксированный клин 2, перемещением которого регулируется амплитудо-частотные характеристики генерируемых акустических полей. Создание мощных акустических полей в камере-резонаторе 1 осуществляется с помощью рабочего газа, подаваемого в камеру-ресивер 3 через штуцер 4 с последующим истечением его через газоструйный генератор звука типа пневматического дросселя с соплом-заслонкой 5 над полостью камеры-резонатора. Для достижения необходимого результата воздействия АТАО на свойства материалов нужно создать акустические поля с требуемыми амплитудо-частотными и мощностными характеристиками. Настройка ГГЗ осуществляется путем выбора положения клина, размеров критического сечения сопла и давления рабочего газа. Возможные режимы, определяемые в том числе положением образца проведены в табл. 2.
Таблица2
№ режима
Давление в камере-ресивере,Ро.10<sup>5</sup>Па
Размер щели сопла, мм
f,Гц
Положение образцов по отношению к потоку газа
Р1
2
l<sub>1</sub>-  0,5
250
вдоль
Р2
2
l<sub>1</sub>-  0,5
250
поперек
Р3
2
l<sub>1</sub>-  0,5
250
вращение
Управление параметрами аэроакустического воздействия (температура, скорости охлаждения, скорости потока газа, амплитудно- частотных характеристик) осуществляется как за счёт варьирования геометрических характеристик установки, параметров рабочего газа, времени воздействия так и положения образцов(изделий) по отношению к потоку газа.
Результаты механических испытаний образцов из БрНХК в исходном состоянии и после АТАО по режимам Р2 и  Р3 в табл.3 (в обоих случаях при одинаковой продолжительности процесса обработки).
Таблица3
Механические свойства БрНХК в исходном состоянии и после АТАО
№ <sub>режима</sub>
Вид предварительной обработки
Дополнительная обработка
Механические свойства
σ<sub>в</sub>
σ<sub>0,2</sub>
σ<sub>0,005</sub>
δ
МПа
МПа
МПа
%
-
Состояние поставки(пруток)
-
681
460
383
3,2
2
Состояние поставки
АТАО1(Р3)
690
602
478
2,8
3
АТАО (Р2)
693
535
425
3,2
Представленные экспериментальные данные по механическим свойствам стали и бронзы - материалов, прошедших обработку на заявляемой установке однозначно свидетельствуют о влиянии положения образцов по отношению к потоку воздуха в камере-резонатора на их механические свойства.
Стационарное положение заготовки в процессе охлаждения особенно существенно будет влиять на механические свойства при сложной конфигурации заготовки, так как отдельные участки будут расположены по отношению к потоку вдоль, а другие поперек и, следовательно, будут иметь разные механические свойства. Из чего следует, что применение полезной модели позволяет повысить прочность равномерно по сечению в сравнении с исходными свойствами за счет формирования одинаковой структуры сплава. Это обеспечивается равномерным воздействием потока воздуха и акустических полей на изделия, помещенные в контейнер.