Ультразвуковая техника — ИНЛАБ

   
 

Безабразивная ультразвуковая финишная обработка (БУФО), ультразвуковая импульсная упрочняюще-чистовая обработка

Соседние разделы:

Применение современных машин и механизмов, работающих на больших скоростях и со значительными нагрузками, требует от конструкторов и технологов решение проблемы повышения срока их службы и, соответственно, срока службы отдельных деталей, входящих в состав машин и механизмов.

Качество поверхностного слоя является одним из главнейших факторов определяющих долговечность деталей машин и механизмов. Тщательно обработанная общеизвестными способами поверхность сопрягаемых деталей является носителем остаточных макро- и микронапряжений, усталостных макро- и микротрещин, шаржированных зерен абразива и прочих дефектов. Для повышения прочности и износостойкости деталей необходимо применять методы обработки, улучшающие физические свойства, структуру и микрогеометрию поверхности.

Известны следующие классические способы улучшения качества поверхности, получившие максимальное распространение:

  • дробеструйная обработка, микротвердость поверхности увеличивается незначительно, поверхностная шероховатость практически не уменьшается, усталостная прочность увеличивается в 1.5 раза и более;
  • обкатывание шаром или роликом, микротвердость поверхности увеличивается на 40 - 60%, шероховатость снижается, ориентировочно, с 5 до 10 класса, обычно требуется несколько проходов инструмента по обрабатываемой детали, образуется наклеп значительной толщины;
  • дорнование, микротвердость поверхности увеличивается на 25 - 35%, шероховатость снижается, ориентировочно, с 5 до 9 - 11 класса, незначительный наклеп, до 1 мм ;
  • чеканка, микротвердость поверхности увеличивается на 20 - 70%, толщина наклепа может быть до 20 - 25 мм , усталостная прочность увеличивается на 50 - 100%, срок службы деталей увеличивается в 2 и более раза;
  • упрочнение взрывной волной, микротвердость поверхности увеличивается на 60 - 70%, толщина наклепа может быть до 40 - 50 мм , что недостижимо никакими другими методами, но применение связано с известными технологическими трудностями и не всегда возможно.

Безабразивная ультразвуковая финишная обработка (БУФО)

Проблема создания эффективных методов упрочнения поверхностей деталей, является одной из самых важных в машиностроении. Большинство деталей работает в условиях интенсивного износа, при высоких контактных нагрузках и неблагоприятных условиях воздействия окружающей среды. Одним из наиболее эффективных способов упрочнения деталей является поверхностное пластическое деформирование (ППД), сущность которого заключается в том, что деформирующий элемент (индентор) прижимается к поверхности обрабатываемого изделия. В результате пластической деформации поверхностного слоя увеличивается твердость, образуются сжимающие напряжения, снижается шероховатость, что благоприятно влияет на ресурс деталей.

ППД ультразвуковым инструментом, которое в технической литературе имеет несколько названий: безабразивная ультразвуковая финишная обработка (БУФО), ультразвуковая финишная обработка (УФО), ультразвуковая импульсная упрочняюще-чистовая обработка), вследствие своих особенностей (высокой частоты, силы ударов) ведет к более существенному изменению микроструктуры поверхностного слоя. Кроме того отличительной особенностью БУФО от других известных методов пластического деформирования является значительная скорость деформации. При таком динамическом воздействии на металл изменяются его механические свойства: увеличивается усталостная прочность, пределы текучести и прочности, сопротивляемость износу на истирание, коэффициент отражения света; уменьшаются относительные удлинение и сужение, электропроводность, магнитная проницаемость, теплопроводность, коэффициент затухания поверхностных звуковых волн; увеличивается коррозионная стойкость.

Принцип работы

Комплекс для ППД состоит из ультразвукового генератора, ультразвукового инструмента, соединительного кабеля и эксплуатационной документации.

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

Экспериментальные исследования показали, 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.

Схема поверхностного пластического деформирования при ультразвуковой упрочняющей обработке

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

В целом процесс ультразвуковой обработки характеризуется следующими факторами:

  • формой и радиусом r рабочей части инструмента, мм;
  • амплитудой колебаний индентора, 2А;
  • величиной силы прижима инструмента к детали Рст, кгс;
  • величиной динамического воздействия Р, Н;
  • подачей S, мм/оборот;
  • числом прохода инструмента i;
  • окружной или линейной скоростью заготовки V, м/мин;
  • применяемой смазочно-охлаждающей жидкостью (СОЖ).

Рекомендуемая литература:

  1. Абрамов О.В., Абрамов В.О., Артемьев В.В., Градов О.М., Коломеец Н.П., Приходько В.М., Эльдарханов А.С. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении. - М.: Янус-К, 2006. 687с. (при необходимости монографию можно приобрести в ООО "Ультразвуковая техника-ИНЛАБ")

 

Ультразвуковая импульсная упрочняюще-чистовая обработка

 

Впервые информация и материалы об этом способе обработки появились в работах проф. Муханова И.И. и других в 1964 году. В настоящее время, в России, оборудование для данного метода обработки производят несколько организаций. Значительных достижений в данном направлении добился "Северо - Западный Центр Ультразвуковых Технологий" под руководством д.т.н., проф. Холопова Ю.В. Другое название этого способа металлообработки - "Безабразивная ультразвуковая финишная обработка" - БУФО. Основываясь на работах проф. Муханова И.И. и творчески их развивая, применяя современные ультразвуковые генераторы и ультразвуковые преобразователи собственной разработки, наше предприятие, ООО "Ультразвуковая техника - ИНЛАБ", разработало, изготавливает и поставляет комплект ультразвукового оборудования ИЛ - 4 для проведения ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки с 1996 года. Схема применения данного метода обработки приведена на рис. 2.

Схема применения на токарном станке установки ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки

Рис. 2.

Ультразвуковая обработка применяется после чистовой токарной обработки. Ультразвуковой инструмент, зажатый в резцедержку универсального токарного станка, под действием статической силы, создаваемой прижимом, и динамической силы, создаваемой ультразвуковой колебательной системой, пластически деформирует и упрочняет поверхностный слой детали, увеличивает микротвердость, снимает остаточные макро- и микронапряжения, сглаживает неровности поверхности и создает, в итоге, улучшенный поверхностный слой с регулярным характером микрорельефа.

Результаты применения данного способа улучшения поверхностного слоя деталей совмещают в себе лучшие показатели отдельных, классических, способов обработки:

  • микротвердость поверхности, в зависимости от исходной и вида обрабатываемого металла, возрастает на 30 - 300%;
  • шероховатость снижается с 5 до 9 - 14 класса, данное качество поверхности можно получать не только на термически обработанных и сырых сталях, но и на чугунах, на цветных и нержавеющих металлах и сплавах;
  • толщина наклепа может быть до 0.1 мм , в отдельных случаях возможно реализовать режим холодной проковки с толщиной наклепа до 15 - 20 мм;
  • оптимально сочетая статическую и динамическую составляющую силы ультразвуковой обработки, можно превысить предел текучести обрабатываемого металла, и, тем самым, проводить коррекцию геометрии обрабатываемой детали;
  • предел контактной выносливости повышается на 10 - 20%;
  • отсутствие шаржированных в поверхность зерен абразива увеличивает до 2 раз срок службы сопряженных деталей ( пар скольжения, уплотнительных сальников, сальниковой набивки и т.д. ), появляется возможность с помощью ультразвуковой обработки изготавливать детали для пищевой промышленности ( дозаторы и т.д. ), для любых машин и механизмов, для которых наличие абразива в технологической зоне недопустимо;
  • регулярный микрорельеф повышает свойство удержания обработанной поверхностью масел и смазок;
  • регулярный микрорельеф дополнительно снижает износ при возвратно-поступательном характере движения относительно друг друга сопрягаемых деталей;
  • повышается коррозионная устойчивость обработанной поверхности.

В результате комплекса перечисленных свойств, детали машин и механизмов, подвергнутые ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработке, имеют большую износостойкость, циклическую прочность, контактную усталостность и т.д., чем после шлифования, обкатывания шаром и многих других окончательных, финишных, способов обработки поверхности деталей.

На рис.3 приведено фото применения ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки внешней поверхности тел вращения на токарном станке.

Безабразивная ультразвуковая финишная обработка (буфо) ультразвуковая импульсная упрочняюще-чистовая обработка  

Рис. 3.

Ультразвуковой инструмент, разработки и производства компании "Ультразвуковая техника - ИНЛАБ", рис.4 , позволяет производить обработку деталей не только цилиндрической формы, но и допускает возможность обработки деталей с эксцентриситетом до + 5 мм.

Безабразивная ультразвуковая финишная обработка (буфо) ультразвуковая импульсная упрочняюще-чистовая обработка

Рис. 4.

Ультразвуковую упрочняюще-чистовую обработку следует рассматривать как не размерную, финишную. Величина необходимых припусков определяется экспериментально, в зависимости от конкретных технологических параметров обработки. В общем случае можно сказать, что размеры деталей практически не изменяются.

Индентор через некоторое время работы необходимо заправить, заправка инструмента производится самим пользователем и не представляет большого труда.

Производительность ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки определяется теми же факторами, что и обработка резаньем в штатном режиме.

Большое значение может иметь и то, что появляется возможность исключить из технологической цепочки при обработке деталей некоторые операции и станки. Применение комплекта ультразвукового оборудования И - 4 для ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки внешней поверхности тел вращения на токарном станке, разработки "Ультразвуковая техника - ИНЛАБ", не предполагает, за некоторыми исключениями, необходимость разработки специальной технологии применения данного оборудования в промышленных условиях. Достаточно одного дня совместной работы квалифицированных специалистов, технолога и токаря, чтобы освоить данный инструмент и его применение. Затем работа с ультразвуковым оборудованием, в первом приближении, ничем не будет отличаться от штатной работы токаря с резцами.

Ультразвуковая установка И - 4 состоит:

  • ультразвуковой генератор И10-, выходная мощность 630 Вт (модификация 4/1) или 2000 Вт (модификация 4/2), ступенчатая регулировка мощности 100%, 75% и 50% номинальной, рабочая частота 22 + 10% кГц , питание 220 В 50 Гц ;
  • ультразвуковой инструмент, зажимаемый в резцедержку токарного станка, основа инструмента - магнитострикционный ультразвуковой преобразователь со сменным инструментом-индентором;
  • три сменных индентора;
  • соединительный кабель длиной 4 м;
  • паспорт на ультразвуковой генератор и паспорт на установку И - 4

Гарантия на ультразвуковой генератор и инструмент - 1 год непрерывной работы. Стойкость индентора зависит от обрабатываемого материала и режимов обработки. Индентор допускает многократную заправку пользователем.

Ультразвуковая установка И - 4 является универсальным комплектом ультразвукового оборудования, пригодным для широкого применения в приборостроении и в машиностроении, и может быть заказана, изготовлена и поставлена заказчику без дополнительного согласования технических параметров ультразвукового оборудования.

Все, выше сказанное, относится к ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки внешней поверхности тел вращения на токарном станке.

Ультразвуковая установка для обработки внутренней поверхности тел вращения, отверстий, на токарном станке не столь универсальна. При создании ультразвукового оборудования для этого применения возникает ряд технологических ограничений. Необходимость ввести в отверстие сложный ультразвуковой волновод налагает ограничения на минимальный диаметр и на максимальную глубину прохода обрабатываемого отверстия. На рис. 5 представлены установки для обработки отверстий тел вращения на минимальный диаметр 60 и 70 мм и максимальную глубину прохода 250 и 500 мм.

Ультразвуковой инструмент для обработки внутренней поверхности тел вращения   

Рис. 5.

Изготовление и поставка ультразвуковых установок для обработки внутренних поверхностей тел вращения на токарном станке требует предварительного согласования технических параметров.

Также реализован способ ультразвуковой обработки (полировки) плоских поверхностей. Инструмент для установки во фрезерный станок приведен на рис.6.

Рис. 6.

На рис.7. приведены обработанные образцы деталей из различных материалов.

Обработка листа δ=1,0 мм
Марка AISI 321 (08Х18Н10Т)
Выполнено на токарном станке
Обработка листа δ=10,0 мм
Марка AISI 321 (08X18H10T)
выполнено на фрезерном станке
Сталь 40Х Дюраль Бронза Нержавеющая сталь
Ультразвуковой инструмент для обработки плоских поверхностей Ультразвуковой инструмент для обработки плоских поверхностей Ультразвуковой инструмент для обработки плоских поверхностей Ультразвуковой инструмент для обработки плоских поверхностей

Рис. 7.

Различные виды инденторов для применения на установках ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки

Рис. 8.

На рис. 8 приведены варианты различного исполнения инденторов.

Инструмент для БУФО на карусельных станках

Рис. 9.

На рис. 9 показан инструмент для БУФО на карусельных станках.

Инструмент для БУФО отверстий на токарных станках

Рис. 10.

На рис. 10 приведен инструмент для БУФО отверстий на токарных станках.

Волновод с инденторами для БУФО внутренних поверхностей

Рис. 11.

На рис. 11 показан волновод с инденторами для БУФО внутренних поверхностей.

Используя многолетний опыт реализации ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки, наше предприятие разработало и изготовило установку производящую Ультразвуковое упрочнение и коррекция резьб насосно-компрессорных труб. В этой установке метод ультразвукового упрочнения применен для повышения качества и улучшения характеристик сложной геометрической поверхности, резьбы.

При помощи ультразвукового оборудования, разрабатываемого и выпускаемого фирмой "Ультразвуковая техника - ИНЛАБ", возможно получение нужного Вам результата недостижимого никакими другими способами и методами. Все выпускаемое оборудование защищено патентами России.

География поставок установок БУФО

Версия для печати