Ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование

УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ПОВЕРХНОСТНОЕ ПЛАСТИЧЕСКОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ

В.Ф. Казанцев, профессор, д.ф.-м.н., Б.А. Кудряшов, профессор, к.т.н., Р.И. Нигметзянов, доцент, к.т.н.,

В.М. Приходько, профессор, д.т.н.,

Д.С. Фатюхин, доцент, к.т.н., МАДИ

Аннотация. Рассмотрен один из наиболее важных в транспортном машиностроении методов упрочнения поверхности детали путем ультразвукового поверхностного пластического деформирования.

Ключевые слова: износостойкость, остаточные напряжения, циклическая прочность, шероховатость, поверхностное пластическое деформирование, ультразвуковое упрочнение, ультразвуковая колебательная система, ультразвуковой концентратор.

Введение

В числе важнейших задач современного машиностроения и других отраслей металлообрабатывающей промышленности, решаемых в России и за рубежом, в связи с высокими требованиями к свойствам материалов, обусловленными возрастающей интенсивностью нагружения машин при одновременной тенденции к уменьшению их массы, является повышение эксплуатационной надежности и долговечности промышленных изделий, повышение эффективности машин и оборудования.

Качество, эксплуатационная надежность промышленных изделий - машин, механизмов, приборов и пр. - находится в непосредственной зависимости от соответствующих свойств деталей и сборочных единиц. Указанные свойства последних связаны, в свою очередь, прежде всего со свойствами их конструкционных материалов. Статическая и динамическая прочность, сопротивление хрупкому разрушению, задиро- и износостойкость, сопротивление усталостному разрушению, физические, коррозионные и прочие свойства материалов принадлежат к числу основных факторов, определяющих надежность и долговечность машин.

Проблема долговечности может решаться не только повышением легирующих элементов в материале деталей, но и технологическими методами, обеспечивающими направленное изменение физико-механических и других свойств поверхностного слоя деталей при наименьших материальных и энергетических затратах.

Анализ публикаций

Наиболее простыми методами улучшения эксплуатационных свойств машин, получившими в последнее время широкое распространение, являются отделочно-упрочняющие методы поверхностного пластического деформирования (ППД).

Преимущества ППД показаны в исследовании Е.Г. Коновалова, Б.А. Кравченко, И.В. Кудрявцева, И.И. Муханова, А. А. Пап-шева, М.М. Заверина и других отечественных и зарубежных ученых.

Впервые метод ППД с использованием ультразвукового инструмента был предложен в 1964 году И.И. Мухановым [1]. От обычного выглаживания метод ППД ультразвуковым инструментом отличается тем, что инструмент совершает колебания с ультразвуковой частотой. Амплитуда колебаний поляризова-

на в плоскости, перпендикулярной обрабатываемой поверхности детали. В процессе обработки инструмент прижимается к обрабатываемой поверхности с постоянной силой. Как и при обычном выглаживании, перемещение инструмента по поверхности осуществляется путем вращения детали со скоростью и перемещения его вдоль образующей со скоростью.

Постановка задачи

Показать преимущества ультразвукового упрочнения перед остальными видами ППД.

Описание ультразвукового упрочнения

Инструмент для упрочнения представляет собой ультразвуковую колебательную систему, состоящую из преобразователя и волновода-концентратора, к торцу которого присоединяется деформирующий элемент (индентор). В процессе упрочняющей обработки инструмент прижимается к обрабатываемой поверхности (рис. 1).

Рис. 1. Схема поверхностного пластического деформирования при ультразвуковой упрочняющей обработке

Результаты применения ультразвукового ППД

Экспериментальные исследования показали [2], что в процессе обработки между деформирующим элементом и обрабатываемой поверхностью возникает периодический контакт с частотой ультразвуковых колебаний. В момент контакта мгновенные напряжения существенно выше средних, что вызывает значительную пластическую деформацию. Также как и для других методов поверхностного деформирования (выглаживание, обкатывание, дорнование и др.), в результате

обработки уменьшается шероховатость поверхности (рис. 2).

Рис. 2. Профилограмма поверхности образцов из стали 45 до (а) и после (б) ультразвуковой обработки

Величина Яа, которая характеризует шероховатость поверхности, уменьшается с увеличением амплитуды колебаний или усилия прижима. Так, например, для стали 12Х18Н9Т при исходном значении Ла=25 мкм после ультразвукового упрочнения шероховатость составила 0,4 мкм. Одновременно в результате пластического деформирования увеличивается плотность дислокаций. В недеформированных металлах средняя плотность дислокаций составляет 106... 108 см-2. После обкатки роликом количество дислокаций увеличивается до 6-1010 см-2, а при ультразвуковой поверхностной обработке оно возрастает до 3-1011 см-2 [2]. С увеличением плотности дислокаций растет и твердость.

Теоретические и экспериментальные исследования позволили установить механизм пластического деформирования при упрочняющей ультразвуковой обработке и связь степени упрочнения с основными параметрами режима, к которым относятся амплитуда - Е,т и усилие прижима - ¥п, радиус кривизны идентора и др. [2].

Характерным для упрочняющей ультразвуковой обработки, равно как и для любого вида обработки поверхностным пластическим деформированием, является создание сжимающих напряжений. Исследовался характер распределения напряжений первого и второго рода по глубине при разных значениях параметров режима (амплитуда и усилие прижима). Напряжения определялись путем рентгенографирования при послойном электролитическом травлении образцов. Резуль-

таты экспериментов для стали 18Х14НТ приведены на рис. 3.

Рис. 3. Изменение параметра решетки а (1; 2) и уширения линии (3; 4) по глубине деформированного слоя

Изменение параметра решетки а пропорционально сумме главных напряжений первого рода, а уширение линии в пропорционально величине напряжений второго рода, которые характеризуют величину микроискажений решетки. Анализ результатов подтверждает появление сжимающих напряжений при упрочняющей ультразвуковой обработке. Величина а на любой глубине меньше первоначального значения, которое на графике отмечено пунктиром.

Полученные данные показывают, что ультразвуковая обработка создает или значительно увеличивает остаточные напряжения как в продольном, так и в поперечном направлениях. Это является благоприятным фактором, так как препятствует зарождению и развитию трещин.

Пластическая деформация поверхности, снижение шероховатости, появление сжимающих остаточных напряжений приводят к увеличению износостойкости материала. Для оценки износостойкости использовалась машина трения. Испытания проводились по схеме «вал - втулка». Показано, что упрочняющая ультразвуковая обработка почти в 2 раза повышает износостойкость образцов. На стали 45 была проведена сравнительная оценка показателей качества поверхностного слоя, полученная в результате использования традиционного метода (обкатывание шаром) и ультразвукового.

щие показатели: средняя высота неровностей - Яа, относительная длина опорного профиля = ¿р, твердость или микротвердость Н, остаточные напряжения I рода - с1, остаточные напряжения II рода - с11.

Исследования показали, что существует корреляция между приведенными основными показателями: износостойкостью и усталостной прочностью [2]. При оптимизации режима обработки в качестве параметра в зависимости от поставленной задачи выбиралась средняя высота неровностей - Яа или твердость - Н.

Основными параметрами режима являются: усилие прижима, амплитуда колебаний, скорость перемещения инструмента, подача, радиус кривизны индентора. С использованием методов математического планирования были получены уравнения регрессии для обрабатываемых материалов. Выбранная математическая модель описывается уравнением второго порядка

т = А + ад + 14Х2 + ълг]х1х],

где Т - параметр оптимизации, Х1 или Х}- - параметры режима.

Вывод

Проведенные экспериментальные исследования позволили наглядно доказать преимущества ультразвукового способа перед традиционными видами упрочнения.

Литература

1. Муханов И.И., Голубев Ю.М. Упрочнение

стальных деталей шариком, вибрирующим с ультразвуковой частотой // Вестник машиностроения. - 1966. - №11. -

С.52 - 53.

2. Приходько В.М. и др. Технологическое

применение ультразвука в транспортном машиностроении - М.: Издательство «Техполиграфцентр», 2007. - 112 с.

Рецензент: А.П. Любченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Основными характеристиками состояния поверхностного слоя детали являются следую-

Статья поступила в редакцию 17 июля 2009 г.