Файл: Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении.pdf

Рис. 56. Схема экспериментальной ультразвуковой установки для волочения проволоки:

1 — генератор; 2 — преобразователь; 3 — фильера; 4 — подающая бобина; 5 — направляющие ролики; 6 — датчик усилий; 7 — датчик пути; 8 — прием­ ная бобина; 9 — редуктор; 10 — тяговый двигатель;' 11 — усилитель; 12 — осциллограф; 13 — тахогенератор; 14 — генератор меток времени

в обычных условиях и в ультразвуковом поле. Проведен­ ные исследования показали, что ультразвуковые колеба­ ния, подводимые к протягиваемой проволоке в направле­ нии, совпадающем с направлением волочения, вызывают снижение усилия волочения примерно в 2 раза.

В ультразвуковой лаборатории НИИтракторсельхозмаша проведены исследования влияния ультразвуковых колебаний на некоторые процессы волочения [128]. Экс­ перименты проводились на специальной установке (рис. 56), обеспечивающей плавное изменение скорости волочения проволоки от 0 до 3 м/с. В качестве источника ультразвуковой энергии использовался магнитострикционный преобразователь из пермендюра, питаемый от ультразвукового генератора УЗМ-1,5. Фильера изготов­ лена непосредственно в теле акустического концентратора. В результате исследований установлено, что снижение силы волочения имеет место только в том случае, когда ко­ лебательная скорость инструмента-фильеры больше скорости волочения проволоки, причем степень снижения усилия определяется соотношением колебательной ско­ рости фильеры и поступательной скорости волочения про­ волоки. Так, например, при волочении нагартованной мед­ ной проволоки с диаметра 1,5 мм на диаметр 1,34 со ско­ ростью 5 м/мин и амплитудой 2А = 60 мм усилие волоче­ ния снижалось на 7%. Математическая обработка резуль-

177

татов экспериментов показала, что изменение усилия во­ лочения в зависимости от скорости волочения и амплитуды колебания фильеры подчиняется следующему закону:

где P — усилие волочения с ультразвуком; Р 0— усилие волочения без ультразвука; ѵк — колебательная скорость фильеры; ѵв— скорость волочения; а, Ь, с, d — коэффи­ циент, зависящий от протягиваемого материала, конструк­ ции фильеры, смазки и т. п.

Прокат, С развитием радиоэлектроники, ракетной и ядерной техники появилась необходимость в материалах с особыми физико-химическими свойствами. Изделия из таких материалов получают прокаткой в вакууме при вы­ сокой температуре. Но из-за повышенного коэффициента трения на валики интенсивно налипает металл, что порой делает процесс невозможным. Применять жидкие и твер­ дые смазки при обработке особо чистых металлов нельзя. В Белорусском политехническом институте под руковод­ ством В. П. Северденко разработан прокатный стан, валки которого колеблются с ультразвуковой частотой в на­ правлении, параллельном осям их вращения. В резуль­ тате этого усилия деформации снижаются в 1,5—2 раза, а вытяжка, т. е. степень деформации, одновременно уве­ личивается почти в 1,5 раза. Кроме того, резко умень­ шается контактное трение. При действии ультразвуковых колебаний металл становится более податливым без повы­ шения температуры. Снижение трения и повышение пластичности металла приводит к уменьшению усилий про­ катки. Деформация станка и прогиба валков тоже умень­ шаются. Это позволило создать более производительный малогабаритный стан с небольшими крутящими момен­ тами, обеспечивающий высокую точность проката. Сни­ жение контактного трения способствует более равномер­ ному распределению деформаций и напряжений в обраба­ тываемом материале, поэтому возможна прокатка хруп­ ких материалов.

На ультразвуковом стане можно получить значительно более тонкую полоску, чем на обычном стане, с таким же диаметром валков. А осевые перемещения валков заглаживат неровности на поверхности прокатываемого ме­

178

металлов при штамповке и прессовании используются вибрационные колебания сравнительно небольших частот и упругие колебания ультразвуковой частоты. Исследова­ ния, проведенные в Белорусском политехническом инсти­ туте по изучению процесса холодного прессования ме­ таллов, показали, что с наложением ультразвуковых коле­ баний металл становится более пластичным. Увеличение частоты колебаний позволяет увеличить степень деформа­ ции при штамповке со смазкой и без смазки в холодном состоянии. Изменение интенсивности и ультразвуковых колебаний вызывает изменение усилия прессования. С увеличением интенсивности колебаний увеличивается эффект снижения усилия деформации.

Эффективность воздействия ультразвуковых колеба­ ний на металлы в процессе их деформации может быть в том случае, если при наложении ультразвуковых коле­ баний на инструмент достигаются оптимальные акустичес­ кие условия. Например, при вытяжке стаканов из плоской заготовки (рис. 57) оптимальные акустические условия возникают в том случае, если штамп (матрица или пуан­ сон) является продолжением концентратора. При вытяжке стаканов из меди с применением ультразвуковых колеба­ ний сила обработки снижается в 3—4 раза, а при прессова­ нии алюминия более чем в 5 раз. Хорошие результаты по­ лучены по холодному прессованию труднодеформируемых алюминиевых и магниевых сплавов (АЛЗ, МЛ4) при наложении ультразвуковых ко­ лебаний. Установлено, что при холодном прессовании с наложением ультразвуко­ вых колебаний можно получить детали без нарушения их целостности, в то время как при прессовании в обычных условиях эти сплавы разрушаются. Кроме того, исследования показали, что предел проч-

Рис. 57. Схема штамповки в ультразвуковом поле:

1 — магнитострикционный преобразователь; 2 — кон­ центратор-матрица; 3 — наковальня; 4 — заготовка; 5 — пуансон

179

ности деталей из указанных сплавов, полученных прес­ сованием с наложением ультразвуковых колебаний, зна­ чительно выше, чем у литых деталей из этих же сплавов.

Упрочение. Поверхностное пластическое деформиро­ вание широко применяется в промышленности как сред­ ство значительного повышения усталостной прочности деталей машин и конструкций. Схема ультразвукового поверхностного пластического деформирования анало­ гична схеме ультразвукового резания с той лишь разни­ цей, что колебательное движение торца концентратора пе­ редается бойку, который, ударяя по поверхности обраба­ тываемой детали, производит пластическое деформирова­ ние. Колебательная система дополнительно нагружается статической силой. Чтобы обработать всю поверхность, детали сообщается соответствующее движение подачи. Исследованиями установлено, что приращение твердости тем больше, чем мягче (пластичнее) исходный материал. Например, при ультразвуковом поверхностном пластичес­ ком деформировании алюминия А1 микротвердость его поверхности увеличилась вдвое [149].

Сущность упрочнения ультразвуковым инструментом заключается в том, что поверхность детали после обра­ ботки резанием подвергается воздействию шарика, ко­ леблющегося с ультразву­

180

на обрабатываемую деталь, скорость главного движения, скорость подачи (продольной и поперечной), количество проходов, размеры и форма инструмента. Главное движе­ ние создает термодинамические напряжения в поверх­ ностном слое детали. Максимальную и среднюю скорость (м/с) главного движения можно определить из формул

где / — частота колебаний в 1/с; А — амплитуда колеба­ ний в мм.

Вспомогательное движение и число проходов характе­ ризуют количество ударов на единицу обрабатываемой поверхности. Продольная подача имеет характер поступа­ тельного движения. Размеры и форма ультразвукового инструмента влияют на силу удара и тем самым на давле­ ние, испытываемое обрабатываемой поверхностью детали.

Ультразвуковой метод упрочнения по сравнению с дру­ гими механическими способами имеет следующие преиму­ щества: простота приспособления и его установки на суп­ порте токарно-винторезного станка, незначительное по­ стоянное давление, возможность упрочнения деталей с вы­ сокой исходной твердостью, высокая производительность процесса. При ультразвуковом упрочнении возникают силы, отличающиеся от сил при обычных видах нагруже­ ния рядом особенностей. Силы эти импульсивные, дей­ ствуют внезапно, повторяются и распространяются на сравнительно малую площадь. Ультразвуковое упрочне­ ние повышает микротвердость поверхности в 1,5 раза, обе­ спечивает благоприятное ее распределение по глубине наклепочного слоя, снижает шероховатость поверхности на 1 — 2 класса и создает остаточные напряжения сжатия, в результате чего износостойкость стального закаленного инструмента, работающего в условиях ударного нагруже­ ния, возрастает примерно в 2,5-раза.

Характерной особенностью ультразвуковой упрочняю­ щей обработки является возникновение на поверхности детали быстро чередующихся деформаций сжатия и сдвига [118]. На физико-механическое состояние поверх­ ностного слоя (шероховатость, микротвердость, внутрен­ ние остаточные напряжения и др.) большое влияние ока­ зывают специфические для этого процесса элементы: статическая сила прижима шара к детали Рст (рис. 59), амплитуда ее смещения А, частота колебаний f и др. Ста­

181