Ультразвуковая импульсная упрочняюще

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.
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 Центр разработал, изготавливает и
поставляет комплект ультразвукового оборудования БУФО для проведения
ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки с 1996 года.
Схема применения данного метода обработки приведена на рис. 1.
Рисунок 1-Схема размещения комплекта БУФО на токарном станке:
1 - акустическая головка, 2 - присоединительный кабель, 3 - генератор
Для обработки наружных поверхностей различных металлов поставляется
комплект типа:
БУФО – 0,63/22 модель10
Для обработки внутренних поверхностей металлов поставляются следующие
типы комплектов:
БУФО 0,63/22 модель 30 Ø от 5 до 10 мм на глубину 50 мм;
БУФО 0,63/22 модель 31 Ø от 10 до 25 мм на глубину 50 - 100 мм;
БУФО 0,63/22 модель 32 Ø от 25 до 50 мм на глубину 100 - 250 мм;
БУФО 0,63/22 модель 33 Ø от 50 до 75 мм на глубину 250 - 500 мм;
БУФО 0,63/22 модель 34 Ø от 75 мм и больше на глубину 500 мм
Ультразвуковая обработка применяется после чистовой токарной
обработки. Ультразвуковой инструмент, зажатый в резцедержатель
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 упрочняющечистовой 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.2 приведено фото применения ультразвуковой импульсной
упрочняюще-чистовой обработки внешней поверхности тел вращения на
токарном станке.
Рисунок 2 – Общий вид установки при работе
Ультразвуковой инструмент рис.3 , позволяет производить обработку
деталей не только цилиндрической формы, но и допускает возможность
обработки деталей с эксцентриситетом до + 5 мм.
Рисунок 3 – Ультразвуковой инструмент
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
БУФО для ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки
внешней поверхности тел вращения на токарном станке, 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 БУФО состоит:





- ультразвуковой генератор ИЛ10-0.63, выходная мощность 630 Вт,
ступенчатая регулировка мощности 100%, 75% и 50% номинальной,
рабочая частота 22 + 10% кГц , питание 220 В 50 Гц ;
- ультразвуковой инструмент, зажимаемый в резцедержатель 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 ИЛ - 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 ИЛ - 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. 4
представлена ультразвуковая установка для обработки отверстий тел
вращения на минимальный диаметр 60 мм и максимальную глубину прохода
240 мм.
Рисунок 4 – Ультразвуковая головка для обработки внутренних
поверхностей
Изготовление и поставка ультразвуковых установок для обработки
внутренних поверхностей тел вращения на токарном станке требует
предварительного согласования технических параметров, поэтому, в
большинстве случаев, установка будет уникальна и пригодна для решения
конкретной задачи.
Рассматривая данный метод, безотносительно к привязке к токарному
станку, можно реализовать способ обработки плоских поверхностей.
Инструмент для установки во фрезерный станок приведен на рис.5.
Рисунок 5 – Ультразвуковая головка для обработки плоских поверхностей
На рис. 6 приведены варианты различного исполнения инденторов.
Рисунок 6 – Типы инденторов для ультразвуковых головок
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.