Moskva, Moscow, Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
Moscow, Moscow, Russian Federation
Moskva, Russian Federation
BBK 3 ТЕХНИКА. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
The existing classification features of ultrasonic surface plastic deformation methods are viewed and their technological capabilities are studied. Methods of ultrasonic surface plastic deformation classification are proposed
ultrasound, vibrations, classification, surface plastic deformation
Введение
Ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование (УППД) широко применяется для модификации свойств поверхностей изделий. Этот вид обработки позволяет увеличить твердость, уменьшить шероховатость, создать сжимающие напряжения в поверхностных слоях самых различных изделий машиностроения, что обеспечивает значительное повышение их эксплуатационных свойств.
В настоящий момент применение ультразвука при ППД хорошо изучено, этому процессу посвящено множество работ, как фундаментальных [1, 2], так и прикладных [3 – 7]. Анализ литературных источников показал, что в большинстве работ различные способы УППД описываются разрозненно, как отдельные процессы, без группировки по тем или иным признакам.
В ГОСТ 18296‑72 «Обработка поверхностным пластическим деформированием. Термины и определения», в общих понятиях указано: «Ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование – вибрационное пластическое деформирование при ультразвуковой частоте вибраций». Согласно тому же ГОСТу ультразвуковое воздействие может быть организовано по методам накатывания, раскатывания, обработки дробью и др.
С точки зрения технологического применения УППД можно разделить на следующие группы:
– по форме и расположению обрабатываемой поверхности изделия (внутренние; наружные; плоские; тела вращения; фасонные; криволинейные);
– по степени воздействия на материал;
– по форме получаемого микрорельефа поверхности (постоянный; периодический).
Для реализации обработки по каждому признаку в рамках каждой группы необходим выбор технических решений, схем и параметров обработки.
В связи с этим целью данной работы является анализ существующих способов УППД и их группировка по технологическим, конструктивным и др. признакам для формирования структурированной классификации.
Технологические признаки способов УППД
Основным фактором выбора технологии является форма и расположение обрабатываемой поверхности. Наиболее распространёнными схемами УППД являются схемы, представленные на рис. 1.
Рис. 1.
Метод ультразвукового упрочнения, предложенный в 1964 году И.И. Мухановым, отличается от обычного выглаживания тем, что инструмент совершает колебания с ультразвуковой частотой, причём амплитуда колебаний ξm поляризована в плоскости, перпендикулярной обрабатываемой поверхности детали (см. рис. 1, а). Этим же методом производят обработку наружных плоских и криволинейных поверхностей с большим радиусом кривизны по схемам контурного фрезерования [1]. Модификацией этого метода является выглаживание поверхностей с тангенциальным (см. рис. 1, б) и осевым (см. рис. 1, в) перемещением инструмента.
Для обработки внутренних поверхностей (отверстий) затруднена передача нормальных к поверхности колебаний инструмента. В этом случае используются схемы обработки с осевым перемещением инструмента и амплитудой колебаний, направленной касательно к обрабатываемой поверхности (см. рис. 1, в, г).
Обработка по схеме, представленной на рис. 1, д позволяет осуществлять УППД деталей сложной формы. В полости ультразвукового излучателя специальной формы размещаются обрабатываемые детали и деформирующие элементы, которые получают колебания от оболочки (излучателя). Деформирование поверхности происходит в результате ударов деформирующих элементов, аналогично дробеструйной вибрационной обработке.
При обработке плоских поверхностей и поверхностей, имеющих большой радиус кривизны, обработка проводится по схеме, представленной на рис. 1, е. Находящиеся в объёме, ограниченном обрабатываемой поверхностью торцом ультразвукового волновода и стенками оправки, деформирующие элементы свободно перемещаются под действием ультразвукового волновода.
По степени воздействия на материал отделочно-упрочняющую обработку принято разделять на отделочную, отделочно-упрочняющую и упрочняющую. Виды обработки отличаются между собой степенью пластического деформирования, которая определяется давлением в зоне контакта инструмента и обрабатываемой поверхности [2].
При использовании УППД пиковое значение давления в зоне контакта определяется как выбором параметров обработки (амплитуды колебаний ξm, усилия прижима FN), так и наличием жесткой связи между индентором и излучателем. Способы УППД разделяют на ультразвуковое выглаживание, при котором излучатель жестко связан с индентором и ультразвуковую виброударную обработку с наличием зазора между ними.
При обработке связанным индентором усилие прижима FN инструмента к обрабатываемой поверхности постоянно. Сила воздействия на поверхность имеет импульсный характер и изменяется от нуля до пикового значения, существенно превышающего FN. В этом случае поверхностный слой формируется в результате многократных упругопластических деформаций, повторяющихся с частотой ультразвуковых колебаний [8].
В случае обработки свободным индентором, когда он колеблется в зазоре между излучателем и обрабатываемой поверхностью, воздействие на поверхность имеет принципиально иной характер. Индентор под действием импульса, полученного от ультразвукового излучателя, перемещается до соударения с обрабатываемой поверхностью, отскакивает от неё и движется к поверхности излучателя. После контакта с излучателем процесс повторяется. Колебания индентора в зазоре носят квазипериодический характер. Частота и сила ударов в основном зависят от величины зазора и амплитуды колебательной скорости излучателя.
Для выглаживания и виброударной обработки в зависимости от количества деформирующих элементов различают одно- и многоэлементную обработку. Наиболее распространена одноэлементная обработка, которая используется для УППД внутренних и наружных поверхностей вращения по схемам токарной обработки (см. рис. 1, а – в).
Многоэлементные инструменты применяются для обработки плоских и криволинейных поверхностей, имеющих большой радиус кривизны, а также сварных швов.
Обработка плоских и криволинейных поверхностей реализуется по схеме вертикального фрезерования. Аналогом фрезы является инструмент с 1…8 инденторами, расположенными по окружности относительно оси вращения инструмента. Подобный способ позволяет достичь равномерности обработки и повысить ее производительность.
Отдельным направлением применения УППД является обработка сварных швов [1] с целью снижения остаточных сварочных напряжений и образованию напряжений сжатия в зонах концентраторов напряжений. Для этого используются многоэлементные инструменты со свободными инденторами, позволяющие ударно деформировать поверхности с любым характером неровностей, в том числе и поверхности сварного шва.
Способы УППД позволяют не только уменьшить шероховатость поверхности, но и получить специфический регулярный микрорельеф поверхности. Например, нанесение на поверхность мелких маслосодержащих каналов обеспечивает удерживание на ней смазочного материала.
Получение регулярного микрорельефа поверхности может быть получено как за счёт создания определённой траектории движения инструмента, так и за счёт предварительного полученного микрорельефа.
Если при УППД, осуществляемому по схеме токарной обработки (рис. 2), инструменту помимо подачи сообщается возвратно-поступательное перемещение вдоль оси обрабатываемой детали, на поверхность наносятся канавки образующие характерный рисунок.
Рис. 2.
Форму и размеры рисунка можно регулировать, варьируя частоту вращения детали n, подачу s и амплитуду осцилляции деформирующего инструмента l. При этом в зависимости от сочетания указанных режимов канавки могут не пересекаться, пересекаться полностью, пересекаться не полностью или сливаться.
Другим способом получения регулярных микрорельефов является использование рельефа, созданного предыдущей обработкой, например, точением, накаткой и др. В этом случае предварительно полученный рельеф выглаживается со значительным снижением высотных параметров шероховатости и увеличением площади опорной поверхности. При этом рисунок рельефа сохраняется в виде небольших рисок, глубину которых можно регулировать числом проходов ультразвукового инструмента.
В качестве примера на рис. 3 представлены профилограммы поверхности стали 45 после токарной обработки с последующим выглаживанием.
Рис. 3.
Группировка способов УППД для составления классификации
На основании вышеизложенных технологических признаков предлагаются следующие классификационные признаки УППД:
– по схеме обработки;
– по поляризации колебаний индентора относительно обрабатываемой поверхности;
– по наличию связи между индентором и излучателем;
– по форме и характеру получаемого микрорельефа;
– по степени воздействия на материал.
Первые три признака могут быть сгруппированы в общую структуру стратегии перемещения инструмента относительно обрабатываемой поверхности, связывающую взаимные перемещения обрабатываемой заготовки, волновода-концентратора и индентора (рис. 4).
Рис. 4.
В приведённой структуре наиболее значимым признаком является схема обработки. Схема обработки определяет возможности поляризации колебаний волновода-концентратора и индентора относительно обрабатываемой поверхности, а также характер его перемещения. В свою очередь характер перемещения определяет выбор способов одно- и многоэлементной обработки.
Группировка способов по другим признакам, связанным с формой поверхности и характером получаемого микрорельефа, представлена на схеме (рис. 5).
Рис. 5
Так же как и на предыдущей схеме, возможности УППД по обработке поверхностей разных форм в большей степени определяются применяемой схемой обработки. Степень воздействия на материал в основном зависит от параметров обработки и использования типа индентора.
Заключение
Проведённый анализ способов УППД показывает, что составление единственной иерархической структуры классификации затруднительно. Ввиду большого количества классификационных признаков в данном случае больше подходит множественная иерархия. Предлагаемые в статье классификационные признаки могут быть положены в основу создания общей классификации способов УППД.
Создание классификации способов УППД позволяет осуществлять системный выбор схемы обработки, оборудования и технологических параметров. Анализ классификационных признаков может быть использован при модернизации существующих и создании новых технологий ультразвукового поверхностного пластического деформирования, а также создании гибридных технологий, основанных на комбинации механических, электрофизикохимических и химико-термическими методов обработки.
1. Moschnyy ul'trazvuk v metallurgii i mashinostroenii / V.O. Abramov, O.V. Abramov, V.V. Artem'ev [i dr.]; pod obsch. red. O.V. Abramova i V.M. Prihod'ko. - Moskva: Yanus-K, 2006. - 687 s.
2. Inzheneriya poverhnosti detaley / Koll. avt.; pod red. A.G. Suslova. - M.: Mashinostroenie. 2008. - 320 s.
3. Krylova, N.A., Shuvaev, V.G. Obespechenie nadezhnosti i kachestva poverhnostey detaley ul'trazvukovym poverhnostnym plasticheskim deformirovaniem // Trudy mezhdunarodnogo simpoziuma «Nadezhnost' i kachestvo». - 2018. - T. 2. - S. 205-206.
4. Nigmetzyanov, R.I., Sundukov, S.K., Fatyuhin, D.S. Vliyanie chastoty kolebaniy na effektivnost' ul'trazvukovogo uprochneniya // Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2017. - №12 (207). - S. 25-27.
5. Ultrasonic Surface Rolling Process: Properties, Characterization, and Applications / John, M., Ralls, A.M. et al. // Appl. Sci. 2021, 11(22), 10986.
6. Chi Ma, Yalin Dong, Chang Ye Improving Surface Finish of 3D-printed Metals by Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification, Procedia CIRP, Vol. 45, 2016, PR. 319 322.
7. Prihod'ko, V.M., Nigmetzyanov, R.I., Sundukov, S.K., Fatyuhin, D.S. Innovacionnye tehnologicheskie processy s ispol'zovaniem ul'trazvuka / // Naukoemkie tehnologii v mashinostroenii. - 2017. - №7 (73). - S. 11-14.
8. Prihod'ko, V.M., Nigmetzyanov, R.I., Sundukov, S.K., Fatyuhin, D.S. Tehnologicheskie vozmozhno-sti primeneniya ul'trazvuka dlya po-vysheniya ekspluatacionnyh svoystv izdeliy transportnogo mashinostroeniya // Naukoemkie tehnologii v mashinostroenii. - 2019. - №7 (97). - S. 9-15.
