Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Ультразвуковые виброударные системы в процессах формирования заданных свойств металлических и композиционных материалов в машиностроении

05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Ганиев Махмут Масхутович

Казань 2010

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Асташов Владимир Константинович;

доктор технических наук, профессор Горюнов Лев Васильевич

доктор технических наук, профессор Киселев Евгений Степанович

Ведущая организация: Институт Проблем Машиностроения РАН, г. Санкт - Петербург

Защита состоится 24 сентября 2010 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.11 при Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. К.Маркса, 68 (зал заседаний Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан «___» _____ 2010г.

Ученый секретарь

диссертационного советаГерасимов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В машиностроении одним из эффективных способов повышения эксплуатационных свойств деталей машин является холодное поверхностное пластическое деформирование (ППД). При ППД улучшается микрогеометрия поверхности, повышается поверхностная твердость, в поверхностном слое образуются напряжения сжатия, в результате чего повышаются эксплуатационные свойства деталей: усталостная и контактная прочность, износостойкость, коррозионная прочность и стойкость.

Одним из эффективных и перспективных методов упрочнения посредством ППД является ударная ультразвуковая обработка (УУЗО), осуществляемая жестко закрепленным или полусвободным металлическим инструментом. По сравнению с другими способами ППД УУЗО пластически деформирует поверхностный слой импульсно с большой частотой, скоростью, интенсивностью при незначительном нагреве, обеспечивая многократное увеличение долговечности деталей и конструкций.

Необходимым условием высокоамплитудной устойчивой обработки является настройка ультразвуковой колебательной системы в резонанс. Ударный, т.е. существенно нелинейный характер взаимодействия колебательной системы с металлической заготовкой вызывает проявление ряда нелинейных эффектов, таких как смещение резонансной частоты при изменении нагрузки (силы прижима инструмента, контактной жесткости обрабатываемого материала), двузначность амплитудно-частотной характеристики, наличие неустойчивых диапазонов частот возбуждения и др. Эти явления затрудняют резонансную настройку ультразвуковой системы, приводят к потере устойчивости и срыву колебаний.

В ходе развития ультразвуковой техники получили распространение более сложные колебательные системы, состоящие из двух и более соударяющихся элементов. Применение таких систем позволяет уменьшать потери и концентрировать УЗ энергию в обрабатываемом материале, обеспечить эффективную виброизоляцию станка или ручного инструмента, проводить виброударную обработку в труднодоступных местах и др. В то же время, с введением дополнительных ударных пар увеличивается число степеней свободы, что еще более усложняет поведение колебательной системы. Поэтому динамический анализ составных колебательных систем с двумя степенями свободы, исследование их резонансных свойств с учетом ударного взаимодействия с обрабатываемым изделием является (актуальной) первостепенной задачей.

Высокая концентрация энергии ультразвука в зоне обработки в значительной мере влияет на физико-механические свойства материалов и протекание технологических процессов в ходе обработки материалов как в твердой, так и в жидкой фазе. Деформационное упрочнение металла из-за увеличения степени пластической деформации, интенсификация пропитки композита в результате уменьшения вязкости и улучшения смачиваемости связующего позволяют улучшать структуру и повышать прочностные характеристики готовых изделий наложением ультразвуковых колебаний. Поэтому важными являются вопросы совершенствования ультразвукового ударного инструмента с целью повышения эффективности его работы и достижения лучших эксплутационных показателей изделий машиностроения.

Работы, направленные на решение перечисленных проблем, являются актуальными и представляют научный и практический интерес.

Областями исследований в данной работе являются: нелинейные колебания ультразвукового ударного механизма, математическое моделирование динамики его работы, изыскание путей повышения эффективности работы ультразвукового ударного инструмента.

Автор выражает благодарность д.т.н., профессору Вагапову И.К. и д.т.н., профессору Каримову А.Х. за научные консультации по работе.

Цель работы. Разработка теоретико-экспериментальных основ работы ультразвуковых виброударных систем для повышения эффективности их применения при формировании эксплуатационных свойств металлических и композиционных материалов изделий машиностроения.

Задачи исследований:

1. Разработать математическую модель работы виброударной ультразвуковой технологической системы с двумя степенями свободы с одним активным и одним пассивным вибраторами-интрументами, учитывающую нелинейность технологической нагрузки при деформировании металла.

2. Разработать математическую модель динамики работы виброударного ультразвукового инструмента с промежуточным бойком и учетом процесса поверхностного пластического деформирования металла.

3. Разработать комплексные программы расчета математических моделей виброударных ультразвуковых технологических систем.

4. Провести экспериментальные исследования рассматриваемых виброударных ультразвуковых технологических систем с целью проверки и уточнения математических моделей и оптимизации параметров режима их работы.

5. Разработать метод мониторинга работы виброударной ультразвуковой системы с промежуточным бойком с целью управления интенсивностью ультразвукового воздействия на материал.

6. Рассмотреть применения виброударных ультразвуковых технологических систем для повышения эксплуатационных характеристик изделий машиностроения из металлических и композиционных материалов.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель работы виброударной ультразвуковой технологической системы с двумя степенями свободы с одним активным и одним пассивным вибраторами-инструментами, учитывающая нелинейность технологической нагрузки при деформировании металла.

2. Математическая модель динамики работы виброударного ультразвукового инструмента с промежуточным бойком и учетом процесса поверхностного пластического деформирования металла.

3. Комплексные программы расчета математических моделей виброударных ультразвуковых технологических систем.

4. Результаты экспериментальных исследований рассматриваемых виброударных ультразвуковых технологических систем.

5. Метод мониторинга работы виброударной ультразвуковой системы с промежуточным бойком.

6. Результаты применения виброударных ультразвуковых технологических систем для повышения эксплуатационных характеристик изделий машиностроения из металлических и композиционных материалов.

Достоверность и обоснованность результатов исследований, научных выводов и рекомендаций подтверждается:

- применением современных точных приборов, аппаратуры, тарировочных методик;

- хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных результатов;

- положительными результатами лабораторных испытаний и производственного внедрения.

Научная новизна результатов исследований:

1. Математические модели работы виброударных ультразвуковых технологических систем с одним активным и одним пассивным вибраторами, а также с промежуточными бойками учитывают нелинейность технологической нагрузки и процесс пластического деформирования металла, что позволило повысить точность расчетов оптимальных параметров систем.

2. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что толщиной продеформированного слоя металла можно управлять в процессе работы ультразвукового механизма путем измерения динамического увода.

3. Применение в математических моделях метода гармонической линеаризации позволило выявить резонансные свойства виброударных ультразвуковых систем, а использование метода припасовывания - рассчитать ударные напряжения в деформируемом металле.

4. Разработана новая подтвержденная патентом конструкция виброударного многобойкового ультразвукового инструмента.

5. Разработан метод мониторинга работы виброударной системы по интенсивности ультразвукового воздействия на обрабатываемый материал.

6. Получено в технологических применениях виброударных ультразвуковых систем:

а) ультразвуковая виброковка сталей аустенитного класса может обеспечивать одновременное формообразование и упрочнение до твердости мартенситных сталей после закалки;

б) при снятии сварочных напряжений время ультразвукового воздействия имеет пороговое значение;

в) возможно одновременное повышение коррозионной стойкости и прочности трубной стали;

г) ультразвуковая обработка связующих композиций повышает прочность композиционных полимерных материалов, покрытий и клеевых соединений.

Практическая значимость результатов исследований:

· Разработанные математические модели позволяют определять оптимальные режимы работы ультразвукового виброударного механизма и параметры режима обработки, обеспечивающие наибольшую эффективность его применения.

· Полученные резонансные зависимости вибратора позволяют установить наиболее интенсивные и устойчивые режимы ППД.

· Новая конструкция виброударного ультразвукового механизма с промежуточными бойками обеспечивает повышение эффективности его работы.

· Разработанный метод мониторинга работы виброударной ультразвуковой технологической системы позволяет управлять процессом ультразвукового воздействия на материал.

· Показаны области эффективного применения виброударных ультразвуковых систем для формирования эксплуатационных свойств металлических и композиционных материалов изделий машиностроения. Получен экономический эффект от внедрения результатов в объеме 1,2 млн. рублей.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований применены в ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение», ОАО «Казанский вертолетный завод», ООО «Менделеевсказот» г. Менделеевск, ОАО «Производственное объединение ЕлАЗ» г. Елабуга, ЗАО «МЕЛИТА-К» г. Казань, ОАО «СеверНИПИгаз» г. Северодвинск.

В ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение» технология УУЗО и оборудование внедрены для релаксационно-упрочняющей обработки сварных соединений при изготовлении корпусных деталей и узлов газотурбинных двигателей и крупногабаритных сварных конструкций.

В ОАО «Казанский вертолетный завод» результаты исследований приняты к использованию в технологических процессах изготовления лонжерона и торсиона лопасти несущего винта вертолета.

В ООО «Менделеевсказот» оборудование и технологический процесс УУЗО использованы для уменьшения остаточных сварочных напряжений сварных швов при врезке штуцеров в шаровой резервуар газгольдера.

В ОАО «Производственное объединение ЕлАЗ» внедрены разработанные оборудование и технологический процесс УУЗО сварных швов барабана лебедки подъемных агрегатов для ремонта скважин.

В ЗАО «МЕЛИТА-К» результаты исследований использованы в целях оптимизации и совершенствования технологии и оборудования для заточки лезвий методом ультразвуковой виброковки при изготовлении режущего инструмента медицинского и технического назначения.

Предприятием «СеверНИПИгаз» проводились полигонные испытания оборудования и технологии УУЗО при ремонте участков газопровода с коррозионными дефектами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях (НТК): Международной НТК «Современные проблемы машиностроения», г. Гомель, ГПИ, 1999; Международной НТК «Использование ультразвуковой обработки для снижения остаточных напряжений в сварных швах», г. Севастополь, 2004; Международной НТК «Машиностроение и техносфера», г. Севастополь, 2005; Международной НТК «Машиностроение и техносфера ХХI века», г. Севастополь, 2007; Всероссийской НТК «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения», г. Орел, 2003; Всероссийской НТК «Технологическое обеспечение создания и развития воздушно-транспортных средств. Экраноплан-94», г. Казань, 1997; Всероссийской НТК «Тепловые двигатели в ХХI веке», г. Казань, 1999; Всероссийской НТК «Физикохимия процессов переработки полимеров», г. Иваново, 2002; Международной научно-практической конференции «Машиностроение техносфера ХХI века», г. Севастополь, 2008; Всероссийской НТК «Нелинейные колебания механических систем», г. Нижний Новгород, 2008 и др.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в одной монографии, 17 научных статьях (10 статей из перечня ВАК), 12 тезисах докладов, 6 патентах на изобретения, 2 учебных пособиях, 2 зарегистрированных в реестре программах расчета.

Вклад автора в проведенное исследование заключается в проработке состояния вопроса, постановке цели и задач исследований, разработке математических моделей и расчетных программ, постановке экспериментальных исследований, организации внедрения, в ведущем участии в проведении экспериментальных исследований, расчетов, внедрении результатов исследований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы из 318 наименований, приложений и содержит 330 страниц, 77 рисунков, 30 таблиц, 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации обосновывается область и направление исследований, проводится критический анализ опубликованных работ, ставятся цель и задачи исследований.

Отмечается, что холодное поверхностное пластическое деформирование (ППД) является одним из эффективных способов повышения эксплуатационных характеристик деталей машин.

Большой вклад в развитие процессов ППД внесли отечественные и зарубежные ученые И.А. Биргер, А.А. Маталин, М.А. Елизаветин, Э.А. Сатель, Ю.Г. Шнейдер, С.Н. Полевой, М.С. Поляк, Л.Г. Одинцов и др.

Одним из эффективных и перспективных методов поверхностного пластического деформирования является ударная ультразвуковая обработка (УУЗО) материалов, имеющая ряд преимуществ перед другими методами ППД.

В первую очередь, в машиностроении УУЗО применяется в качестве упрочняюще-чистовой обработки. Разработке, исследованию и внедрению УУЗО посвящены работы И.И. Муханова, В.К. Асташева, В.В. Бабицкого, Ю.А. Янченко, А.В. Кулемина, В.В. Клубовича, В.Н. Сакевича, И.К. Вагапова, И.Г. Полоцкого, Г.И. Прокопенко и др.

Отличительной особенностью УУЗО является воздействие на поверхность детали мощных ультразвуковых колебаний и волн ультразвуковых напряжений.

В обрабатываемой поверхности формируются зоны влияния УУЗО: аморфный “белый слой” (h0,002…0,5 мм), зоны пластической деформации (1…2,5 мм), импульсной релаксации (3...5 мм), ультразвуковой релаксации (10...12 мм). Эти зоны определяют улучшение соответствующих эксплуатационных свойств материалов.

Следует отметить, что в основном исследованы схемы УУЗО с жесткозакрепленным инструментом различной формы. В ряде работ приводятся результаты теоретических исследований и формулы для расчета силы удара шарика, выделившейся ударной мощности и других параметров процесса. виброизоляция машиностроение ультразвуковой

Для расчетов характеристик качества поверхностного слоя: микротвердости, шероховатости, остаточных напряжений предлагаются эмпирические формулы, полученные методом математического планирования эксперимента.

Обзор теоретических работ показывает необходимость дальнейших исследований по составлению более полных математических моделей, учитывающих одновременно динамику инструмента и процесса ППД и позволяющих рассчитывать параметры процесса.

Второй областью эффективного применения УУЗО является обработка сварных соединений с целью уменьшения сварочных напряжений и деформаций. В этом направлении известны работы Г.Ю. Макулина, Ю.А. Янченко, В.М. Сагалевича, И.Г. Полоцкого, Ю.В. Холопова, В.Ф. Казанцева, Е.Ш. Статникова, В.Г. Бадаляна, Е.А. Лесюка и др.

Однако следует отметить сравнительно малое число работ, посвященных влиянию УУЗО на качество сварных соединений, особенно с применением многобойкового ударника.

Кроме того, большинство исследований выполнено на образцах, мало примеров по реальным изделиям, недостаточно исследований по изучению микротвердости и остаточных напряжений в поверхностном слое различных материалов.

К достоинствам УУЗО относят повышение коррозионно-усталостной прочности, сопротивления общей коррозии и коррозии под напряжением. В немногочисленных работах А.А. Маталина, Л.Г. Одинцова, Л.Д. Бронза, Е.Ш. Статникова и других приводятся отдельные примеры влияния ППД на коррозионную стойкость и прочность металлических материалов.

В машиностроении, особенно в авиа-вертолетостроении и производстве ракетно-космической техники все большее применение получают полимерные композиционные материалы (ПКМ).

Для обеспечения качества ПКМ, клеевых соединений и покрытий связующие вещества должны обладать хорошей смачиваемостью и пропиткой волокнистого наполнителя, смачиваемостью и растеканием по поверхности, специальными свойствами.

Улучшение технологических свойств эпоксидных смол и композиций на их основе возможно физическими воздействиями и, в частности, применением УУЗО. Это объясняется значительными импульсами энергии, вводимыми в обрабатываемую среду с ультразвуковой частотой.

Применение УУЗО эпоксидных смол и композиций на их основе рассматривалось в работах В.Н. Кестельмана, Е.В. Москалёва, В.Г. Хозина, А.Е. Колосова, А.М. Амировой, L. Lin, Y.D. Huang, Z.Q. Zhang, А.А. Каримова, Б.А. Шипилевского, И.М. Старобинца, L. Shao, В.И. Халиуллина, А.Ф. Магсумовой и др.

Обзор опубликованных работ показывает, что УУЗО эпоксидных композиций является эффективным способом улучшения их технологических свойств, интенсификации и повышения качества процессов пропитки, смачивания, растекания и, в конечном счете, - повышения прочностных характеристик ПКМ, клеевых соединений и покрытий.

Однако в сравнительно немногочисленных работах, посвященных исследованиям данной проблемы, встречаются противоречивые сведения, поэтому продолжение исследований в этом направлении является актуальным.

В заключении первой главы приводятся сведения об оборудовании для УУЗО, выпускаемом отечественными и зарубежными фирмами.

Таким образом, обзор опубликованных работ показал, что виброударный ультразвуковой инструмент может эффективно применяться для упрочняюще-чистовой обработки поверхностей металлических деталей, снятия сварочных напряжений и деформаций сварных соединений, повышения прочности ПКМ, клеевых соединений и покрытий.

Установлено также, что еще достаточно много перечисленных ранее вопросов следует изучить для его более эффективного применения.

По результатам анализа состояния исследуемой проблемы поставлены цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена исследованию динамики ультразвуковых виброударный систем с двумя степенями свободы. В рамках единого математического формализма рассмотрены два вида ультразвуковых технологических систем: 1) ультразвуковой преобразователь, состыкованный с волноводом-отражателем, выполняющим роль резонансной опоры; 2) ультразвуковой преобразователь с промежуточным незакрепленным ударником. Расчет амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных характеристик (ФЧХ) ультразвуковой виброударной системы, исследование областей существования и устойчивости нелинейных колебаний проведены на основе метода гармонической линеаризации силовой ударной функции. Этот метод позволяет выявить резонансные свойства виброударной системы, исходя из первой гармоники колебательного движения элементов системы, пользуясь простейшими зависимостями силового контактного взаимодействия для ударной пары.

В первом разделе динамика ультразвуковой технологической установки, состоящей из двух соосных волноводов резонансной длины, в одном из которых возбуждается продольная стоячая волна, рассматривается как вынужденные колебания двух взаимодействующих через обрабатываемую среду подсистем, причем очаг деформации является как технологической нагрузкой, так и звеном связи для двух колебательных систем.

Пассивный волновод-отражатель жестко закреплен за фланец в узле колебаний (рис.1), а волновод, связанный с преобразователем, имеет возможность перемещения вдоль оси и прижат своим рабочим торцом (или установленным на нем бойком) к рабочему торцу (бойку) закрепленного волновода. Обработка материала происходит в вибрирующем зазоре между торцами волноводов.

Рис. 1 Схема ультразвуковой микроковки: 1, 2 волноводы, 3 обрабатываемая заготовка,

4 крепежный фланец волновода, 5 крепление, 6 ролики,

7 преобразователь, 8 генератор, 9 датчик перемещений

С помощью оператора динамической податливости вязкоупругого стержня-волновода запишем уравнения продольных смещений бойков

,

, (1)

где относительное смещение бойков;

оператор динамической податливости -гo стержня (=1, 2), связывающий смещение контактирующего торца с продольной вынуждающей силой .

Считается, что вынуждающая сила и сила прижима приложены в контактирующих сечениях. Функция описывает силовое ударное взаимодействие волноводов через обрабатываемый материал. Используя метод гармонической линеаризации, будем искать решение уравнений (1) в виде

, (2)

где , постоянные составляющие смещений;

, амплитуды;

, сдвиг фазы абсолютных и относительных колебаний торцов волноводов.

Анализ ударного взаимодействия резонансных волноводов проведен на основе модели нагружения металла в очаге деформации, характерной для процессов обработки металлов давлением (ковка, плющение, прессование).

Модель отражает основные особенности процесса ультразвуковой ударной обработки: наличие фаз деформирования и свободного хода бойков; рост сопротивления деформированию при сжатии заготовки; разгрузку металла при расхождении бойков.

Зависимость силы деформирования металла от относительного расстояния между бойками l задается обратно пропорциональной зависимостью:

, (3)

с феноменологической константой А, характеризующей деформационное упрочнение металла.

Феноменологическая константа А, характеризующая степень возрастания силы деформирования при сжатии металла, определяется геометрическими размерами обрабатывающего инструмента, толщиной заготовки и ее механическими свойствами. Для сталей разных классов величина константы рассчитана по измерению толщины прокованной кромки с использованием аналитических выражений для заданной геометрии очага деформации.

В результате гармонической линеаризации силовой характеристики выражение для ударной функции имеет вид:

, (4)

где гармонические коэффициенты жесткости k и демпфирования учитывают влияние упруго-диссипативных свойств упрочняемого в очаге деформации металла на резонансные характеристики колебательной системы.

Отмечено, что с увеличением значения феноменологической константы А динамическая жесткость системы возрастает и нелинейные свойства колебаний приобретают более выраженный характер.

После подстановки линеаризованного выражения (3) в уравнения (1) выражение для амплитуды относительных колебаний сводится к иррациональному алгебраическому уравнению

. (5)

Нахождение корней уравнения (5) позволяет определить амплитуду относительных колебаний в зависимости от параметров ультразвуковой установки и технологического процесса. Подставляя полученное значение в выражения для коэффициентов линеаризации и , определим амплитуды и фазы абсолютных колебаний из выражений , , а также характеристики процесса. В итоге рассчитаны амплитудно- и фазочастотные характеристики относительных и абсолютных колебаний преобразователя и отражателя, характеризующие динамику работы УЗ инструмента. Из условия рассчитана скелетная кривая относительных колебаний:

. (6)

На каждом шаге расчетов проверялось энергетическое условие устойчивости колебаний.

Теоретические расчеты проведены для реального случая несовпадения собственных частот волноводов. При этом рассмотрены случаи, когда собственная частота ультразвукового преобразователя выше и ниже собственной частоты волновода-отражателя, а также идеальный случай равенства собственных частот.

Для удобства индексы волноводов на графиках заменены буквами, означающими: о отражатель; п преобразователь.

Экспериментальные исследования проводились на установке, представляющей собой два соосных состыкованных волновода полуволновой длины, закрепленных за фланцы. Поочередно в каждом из волноводов возбуждали ультразвуковые колебания с помощью магнитострикционного преобразователя ПМС1-1, протяжку стальной плоской заготовки через стык бойков осуществляли специальным механизмом. Амплитуду колебаний измеряли протарированным индукционным датчиком, используемым в серийном преобразователе ПМС1-1.

Динамический увод подвижного волновода регистрировали датчиком малых перемещений «Микрон 02». Для измерения амплитудно-частотных характеристик частоту ультразвукового генератора плавно перестраивали с помощью задающего прецизионного генератора ГЗ-110А, управляемого напряжением. Контроль частоты проводили частотомером ЧЗ-54А. Результаты измерений выводили на экран дисплея и печатающее устройство в виде графиков (рис. 2).

Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментом, хотя имеются некоторые отличия: высоко-низкочастотный максимумы раздвинуты по частоте шире, чем предсказывает теория, причем низкочастотный резонанс лежит ниже меньшей собственной частоты; в случае < низкочастотный максимум амплитудно-частотной характеристики преобразователя меньше, чем высокочастотный, в то время как в теории наоборот.

Эти различия объясняются «мягкостью» характеристики взаимодействия при малых относительных амплитудах и безотрывных колебаниях волноводов в отличие от ударной характеристики.



Рис. 2. Экспериментальные амплитудно-частотные характеристики магнитострикционного преобразователя а_n и волновода-отражателя a₀ при f_П f₀ в процессе виброковки с усилием прижима G= 410 Н (I); 600 Н (2); 830 Н (3); 880 Н (4). (------------ амплитудно-частотная характеристика преобразователя на холостом ходу)

При некоторой силе прижима, значительно меньшей для <, чем при обратном соотношении частот, виброударный режим отсутствует и бойки совершают совместное движение (кривая 3 на рис. 2). Вследствие тенденции увеличения резонансной частоты преобразователя при ударной нагрузке его парциальная частота должна быть больше парциальной частоты волновода-отражателя. В этом случае достигается наибольшая амплитуда относительных колебаний, а неустойчивость, срыв и замыкание стыка наступают при более высоких силах прижима. С этой точки зрения теоретически рассмотренный идеальный случай равенства частот преобразователя и отражателя, к которому обычно стремятся на практике, не является наилучшим. Измерение динамического увода показало хорошее совпадение расчетных значений с экспериментом, что позволяет с большой точностью контролировать толщину прокованной заготовки.

Во втором разделе динамика процесса ультразвуковой ударной обработки ручным инструментом с промежуточным бойком рассматривается как вынужденные колебания двухмассовой системы с двумя ударными стыками.

Исследуется влияние технологической нагрузки (массы ударника, жесткости контактного взаимодействия ударника с заготовкой, силы прижима) на амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики ультразвукового преобразователя, устойчивость ударных колебаний на частоте ультразвука.

Рис. 3. Схема ультразвукового инструмента (а); схема зоны обработки (б); развертки колебаний волновода и ударника (в); силовая характеристика контакта (г)

Схема инструмента для ультразвуковой ударной обработки представлена на рис.3. Магнитострикционный преобразователь 1, имеющий крепежный фланец 4 в узле продольных колебаний волновода-концентратора, прижимается статической силой G к ударникам 2 (на схеме показан один ударник).

Ударники заключены в обойму 3 и имеют свободный ход вдоль оси колебаний волновода. Обработка изделия производится ударниками, колеблющимися в зазоре между вибрирующим торцем волновода и поверхностью изделия, при этом величина зазора зависит от режима колебаний.

Таким образом, механическое воздействие источника ультразвуковых колебаний передается обрабатываемой среде через два ударных стыка.

Уравнения продольных смещений торца волновода-концентратора и ударника имеют вид:

(7)

(8)

где относительное смещение контактирующих поверхностей волновода и ударника;

(здесь n = 1,2) - оператор динамической податливости, связывающий смещение с внешней силой, приложенной к контактирующей поверхности волновода и ударника.

Считается, что вынуждающая сила действует на торец волновода-концентратора, возбуждаемого магнитострикционным или пьезоэлектрическим преобразователем, , где частота генератора ультразвука.

Функции и описывают силу ударного взаимодействия ударника с волноводом и обрабатываемым изделием соответственно.

Решения уравнений будем искать в гармоническом приближении:

, (9)

где ; ; амплитуды; , , фазы абсолютных и относительных колебаний волновода и ударника, , , постоянные составляющие смещений.

Упруго-диссипативные свойства выходной ступени волновода-концентратора описываются оператором динамической податливости стержня постоянного сечения четвертьволновой длины.

Поскольку геометрические размеры ударника много меньше длины волны ультразвука, для ударника использовано выражение оператора динамической податливости для сосредоточенной массы:

(10)

Проведена гармоническая линеаризация ударных функций с учетом того, что соударяющиеся поверхности волновода и ударника обладают бесконечно большой контактной жесткостью. Упруго-диссипативное взаимодействие ударника с обрабатываемым изделием описано моделью упругого ограничителя с учетом потерь энергии при ударах в рамках классической стереомеханической теории удара.

Подставляя в уравнение (8) гармонические коэффициенты силового взаимодействия ударника с обрабатываемым изделием и волноводом, получим алгебраическое уравнение шестой степени для определения амплитуды колебаний ударника :

, 11)

с зависящими от частоты ультразвука коэффициентами. Процедура построения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик колебательной системы реализована в компьютерной программе на языке «Дельфи» (рис. 4 и 5).

На каждом шаге расчета проверялась устойчивость периодических решений с помощью энергетического критерия устойчивости.

Рис. 4. Амплитудно-частотные характеристики волновода и ударника (АЧХ волновода a₁ обозначена цифрой 1, АЧХ ударника a₂ цифрой 2, АЧХ относительных колебаний a_v буквой v; сплошные линии построены для силы прижима G = 100 H, штриховые - для G = 200 H. Пунктирными линиями обозначены области неустойчивых колебаний)



Рис. 5. Амплитудно-частотные характеристики волновода и ударника (АЧХ волновода a₁ обозначена цифрой 1, АЧХ ударника a₂ цифрой 2, АЧХ относительных колебаний a_v буквой v. Сплошные линии построены для силы прижима G = 250 H , штриховые - для G = 230 H)

По рисункам 4 и 5 установлена независимость резонансной частоты ультразвукового преобразователя от усилия прижима вплоть до порога устойчивости при ~230 Н и перестройки амплитудно-частотной характеристики в двугорбую кривую.

Исходя из величины работы деформации, совершаемой ударником, проведена сравнительная оценка эффективности различных режимов ультразвуковой ударной обработки. Определены параметры наиболее эффективного режима обработки, при котором достигается максимум передачи акустической энергии в обрабатываемый материал.

Установлено, что резонансная частота преобразователя не совпадает с максимумом АЧХ ударника, поэтому настройка на резонанс преобразователя не обеспечивает возбуждение наиболее эффективного режима обработки.

Третья глава посвящена исследованию эффективности ударно-силового воздействия промежуточного бойка на обрабатываемый материал.

В первом разделе динамика ультразвукового инструмента рассмотрена на основе метода припасовывания с использованием кусочно-линейной аппроксимации закона движения бойка от времени. Для достоверной оценки уровня ударных напряжений, создаваемых в обрабатываемом металле, теоретически и экспериментально определены скорость бойка в момент удара, сила удара бойка по изделию, площадь контакта, длительность соударения. Обоснованность применения метода припасовывания обусловлена тем, что скорости соударяющихся звеньев связаны теоремой импульсов и резко изменяются на границах интервалов безударного движения, в то время как гармоническое приближение (9), использованное в предыдущей главе, предполагает плавное изменение скорости движения бойка в течение всего периода колебаний. Поэтому метод гармонического баланса, выявляющий резонансные особенности виброударной системы, дает лишь грубую оценку энергии ударного воздействия бойка, приемлемую только для сравнительного анализа эффективности различных технологических режимов. Отмечается, что использование двух взаимно дополняющих теоретических подходов достаточно полно описывает процесс виброударной обработки, поскольку наряду с исследованием резонансных свойства ультразвуковой системы позволяет рассчитать величину ударных напряжений в обрабатываемом материале.

В модели предполагается, что преобразователь совершает вынужденные гармонические колебания, а свободный боек движется в зазоре от удара до удара с постоянной скоростью, полученной при предыдущем ударе. Передача ударного импульса от ультразвукового вибратора к бойку описывается как прямой центральный удар стержня с телом, имеющим сосредоточенную массу. Доударные и послеударные скорости торца волновода и бойка связаны теоремой импульсов. Неупругие потери при соударении бойка с изделием (сварным швом) учитываются коэффициентом восстановления скорости и продолжительностью удара, которые измеряются экспериментально.

Ультразвуковой ударный инструмент представлен как типичная двухмассовая модель механизма виброударного действия, состоящая из корпуса с магнитострикционным преобразователем и рабочего органа в виде выходной ступени ультразвукового концентратора с эффективной ударной массой. По отношению к двухмассовой системе промежуточный боек следует рассматривать как внешний объект воздействия, преобразующий полученную энергию удара в рабочий процесс. При включении ультразвука в результате динамического увода корпус инструмента смещается в некоторое положение динамического равновесия, расположенное выше статического. В виброударной системе устанавливается динамический зазор , зависящий от параметров режима:

(12)

где скорость соударения торца волновода с бойком; а амплитуда вынужденных колебаний торца волновода на холостом ходу, параметры B, D и т зависят от частоты ультразвука и физических свойств ультразвуковой системы.

Область существования периодических ударных режимов определяется областью действительных значений динамического зазора (12):

. (13)

Граница области определяется строгим равенством в выражении (13) и соответствует максимальной ударной скорости торца волновода. Выход виброударной системы на предельный режим с максимальной ударной скоростью происходит при увеличении зазора в результате динамического увода корпуса инструмента.

Полученные решения исследованы на асимптотическую устойчивость и условие отсутствия дополнительных пересечений. Показано (рис. 6), что периодические режимы асимптотически устойчивы в зарезонансной области частот ультразвука, а предельный режим, соответствующий границе области существования (13), неустойчив.

Рис. 6. Амплитудно-частотные характеристики

а); Динамический увод корпуса ультразвукового ударного инструмента

б) для бойка массой 6г (кривые 1) и 18г (кривые 2) при силе прижима G = 160Н.

--------- параметры предельного виброударного режима, соответствующего границе области существования (18);

ЃE-ЃE-ЃE-ЃE- - амплитудно-частотная характеристика колебаний ультразвукового преобразователя на холостом ходу;

устойчивые области,

- - - - - - неустойчивые области колебаний

Для повышения достоверности результатов сила удара бойка по изделию рассчитана двумя методами: по теореме импульсов и закону Герца. Сравнение результатов расчетов показало их хорошее совпадение.

Вычислена площадь пятна контакта и величина упругих напряжений, возникающих в металле при ударе бойка об изделие. Расчеты показывают, что при ультразвуковой виброударной обработке в локальной области площадью порядка 12 мм² создаются нормальные сжимающие напряжения, превышающие предел текучести большинства свариваемых конструкционных сталей.

Анализ динамики виброударного инструмента в зависимости от массы бойка показывает, что из-за уменьшения размаха и скорости колебаний бойка в зазоре при трехкратном увеличении его массы сила удара на устойчивом режиме снижается почти в два раза, а на предельном режиме возрастает в полтора раза. Это говорит о том, что виброобработка «тяжелым» бойком будет крайне неравномерной, поскольку периодические режимы с относительно слабыми ударами будут прерываться редкими, но мощными ударами бойка по изделию.

Оптимальная масса бойка для ручного ультразвукового инструмента мощностью порядка 400 Вт составляет 46 г. В этом случае эффективная устойчивая обработка с равномерной силой ударов достигается при усилиях прижима в пределах 80160 Н, приемлемых для ручного инструмента.

Во втором разделе экспериментальное изучение ультразвуковой виброударной обработки проводилось путем одновременного измерения силы ударов бойка массой 6 г по изделию и высоты положения корпуса инструмента «Гефест-400».

Электрические сигналы, снимаемые с пьезодатчика и датчика малых перемещений «Микрон-02», подавались на двух канальный цифровой запоминающий осциллограф «Velleman 500» (рис. 7).



Рис. 7. Осциллограммы сигналов для G = 160 H, снятые с пьезодатчика (канал 1) и с датчика перемещений (канал 2), при скорости развертки по оси абсцисс 50 мс на одно деление координатной сетки

Изучение осциллограмм позволяет наблюдать установление и «срыв» виброударных колебаний, измерить силу удара бойка по изделию, исходя из которой можно оценить уровень механических напряжений, возникающих в обрабатываемом материале при ударе. Видно, что нарастание силы периодических ударов наблюдается на стадии подъема корпуса преобразователя из нижнего положения, когда увеличивается промежуток (зазор) между вибрирующим торцом волновода и изделием. Согласно теоретической модели увеличение силы ударов обусловлено увеличением скорости возвратно-поступательного движения бойка в зазоре при смещении вверх корпуса инструмента. Движение корпуса инструмента представляет собой наложение двух, практически гармонических колебаний с частотами порядка 18 и 178 Гц. Исходя из теоретической модели можно заключить, что при столкновениях бойка с интенсивно колеблющейся поверхностью изделия ультразвуковая виброударная система затягивается по амплитуде на предельный виброударный режим с максимальной силой ударов. После этого наступает срыв колебаний и последующее возобновление цикла обработки начинается с безотрывных колебаний.

Экспериментально доказано, что ультразвуковая обработка инструментом с промежуточным свободным бойком представляет собой чередование циклов затягивания и срыва виброударных режимов с периодическим нарастанием и спадом силы ударов бойка по изделию. Процесс сопровождается установлением низкочастотных (по сравнению с частотой ультразвука) колебаний корпуса виброинструмента. Возникающие при ударах локальные напряжения достигают предела текучести обрабатываемого материала, что является причиной релаксации остаточных напряжений в металле.

В четвертой главе диссертации рассматриваются технологические применения виброударных ультразвуковых систем для формирования требуемых эксплуатационных свойств сталей: микроковка и упрочнение, снятие остаточных сварочных напряжений, повышение коррозионной стойкости и прочности.

Исследовалось применение виброинструмента для пластической деформации острой кромки плоских заготовок толщиной 0,31 мм из сталей ЭП853, 12Х18Н9, 65Х13, 50Х14МФ, 08Ю с одновременным упрочнением. На кромке заготовки формировался симметричный клин с углом , плоскими гранями, толщиной в области вершины 1520 мкм. Обработка проводилась с использованием ультразвукового преобразователя мощностью 1 кВт на частоте 22 кГц. Амплитуда колебаний составляла - 0,02 мм, статическая сила поджатия - 100 МПа, скорость продольной подачи 400 мм/мин.

После обработки виброинструментом заготовок на поперечных шлифах прибором ПМТ-3 измерялась микротвердость по длине клина и проводился металлографический анализ структуры стали. Твердость металла на вершине клина измерялась методом внедрения призматического индентора непосредственно в кромку изделия на глубину порядка 1015 мкм без изготовления поперечных микрошлифов. По результатам измерения микротвердости рассчитывались степень и градиент наклепа .

Рис. 4.2. Изменение микротвердости по глубине кромки, полученной в результате обработки ультразвуковым инструментом заготовок из различных сталей

Установлено, что микротвердость исследованных коррозионно-стойких сталей, используемых для изготовления лезвийного инструмента, значительно увеличивается с приближением к кромке клина. Особенно эффективен процесс УУЗО для стали 12Х18Н9, которая не упрочняется термообработкой, а после УУЗО приобретает твердость, соизмеримую с твердостью мартенситных сталей после закалки (рис.8). Аналогичные зависимости наблюдаются для степени и градиента наклепа по длине клина.

Металлографическим анализом установлены структуры сталей, определяемые предварительной термической или механической обработкой. Общим для всех исследованных сталей является наличие текстуры с хорошо различимыми линиями пластического течения металла в сужающийся клиновидный зазор, образуемый рабочими поверхностями вибрирующих бойков.

В процессе ультразвуковой обработки происходит деформационное упрочнение и образование текстуры преимущественно у поверхности и острия клина, что увеличивает твердость кромки лезвий на 1540% по сравнению с традиционной заточкой абразивным шлифованием.

Для экспериментальных исследований влияния УУЗО на объемные и поверхностные остаточные напряжения в околошовной зоне сварного соединения использовался виброударный ультразвуковой комплект «Гефест-400Э» с семибойковой насадкой, модернизированный согласно полученному патенту.

Для эффективности работы виброударного ультразвукового механизма необходимо:

1) получение стабильных высокоамплитудных резонансных колебаний ударника под нагрузкой;

2) создание режимов виброобработки, обеспечивающих превышение предела текучести металла;

3) максимальное уменьшение передачи вибрационного воздействия на сам механизм и на оператора.

Повышение КПД ультразвукового механизма при одновременном уменьшении уровня вибраций достигнуто за счет того, что магнитострикционный излучатель связан с корпусом посредством эластичных виброизолирующих прокладок, а движения магнитостриктора амортизируются пневмокамерой и пружиной.

Проводилась обработка виброинструментом сварных швов врезки штуцеров в шаровой резервуар из стали 09Г2С толщиной стенки 18мм при следующих режимах: амплитуда колебаний - 1214 мкм, частота 220.2 кГц, сила прижима 16010 Н, скорость перемещения инструмента вдоль сварного шва - 11.5 м/мин.

Неразрушающий экспресс контроль уровня внутренних напряжений в сварном шве проводился при измерении магнитного поля рассеяния по методу магнитной памяти металла. В результате двукратной УУЗО установлено уменьшение уровня внутренних напряжений в 1,5 раза, сопровождаемое деформационным упрочнением металла сварного шва и околошовной зоны.

Методом Н.Н. Давыденкова исследовались заготовки углового соедине-ния из стали Ст30 толщиной 25 мм, длиной 150 мм в состоянии после сварки, после сварки и отпуска, после сварки и после обработки ультразвуковым виброинструментом.

Для определения влияния длительности воздействия виброинструмента на характер распределения и уровень остаточных напряжений в обрабатываемой заготовке исследовались три режима обработки виброинструментом сварного шва: 1-18 с, 2 прохода; 2-36 с, 4 прохода; 3-54 с, 6 проходов.

Остаточные напряжения определяли методами «полного освобождения» и «замера прогибов» образцов, вырезанных из поверхности околошовной зоны сварной заготовки.

Исследованиями установлено, что УУЗО по режиму 1 снижает растя-гивающие остаточные напряжения в сварном шве в среднем на 35%, по режи-му 2 - на 48%, по режиму 3 - на 51%.

Распределения остаточных напряжений в поверхностных слоях околошовной зоне сварной заготовки из стали Ст30, установленные по замеру прогибов образцов, приведены на рис. 9.

Исследования показали: в околошовной зоне образуются остаточные растягивающие напряжения до 120 МПа глубиной залегания до 15 мкм; УУЗО по режиму 1 снизила остаточные растягивающие напряжения до 40 МПа; УУЗО по режиму 2 сформировало в околошовной зоне благоприятные для конструкционной прочности сжимающие напряжения 4070 МПа; применение УУЗО по режиму 3 практически не изменило распределения и уровня остаточных напряжений по сравнению с режимом 2.



Рис. 9. Эпюры остаточных напряжений в сварной заготовке в исходном состоянии и после различных способов обработки: 1-1 - режим 1, образец ближе к шву; 1-2 - режим 1, образец дальше от шва и т.д.

Зависимости распределения остаточных напряжений от длительности обработки ультразвуковым инструментом поверхности сварного шва, построенные по результатам измерений остаточных напряжений методами «полного освобождения» и «замера прогибов», показали, что значительное снижение уровня остаточных растягивающих напряжений и формирование благоприятных сжимающих напряжений происходит в течение первых 3040 секунд обработки ультразвуковым инструментом по режиму 2. В зависимости от физико-механических свойств и характера НДС обрабатываемого материала длительность имеет некоторое пороговое значение, превышение которого не приводит к дальнейшим изменениям значений и характера распределения остаточных напряжений.

После обработки ультразвуковым инструментом сварной шов имеет сглаженный рельеф поверхности, что благоприятно влияет на надежность и ресурс изделия. Отсутствуют также коробления сварной конструкции.

Разработан метод мониторинга работы виброударного ультразвукового механизма с промежуточными бойками по интенсивности ультразвукового воздействия, позволяющий управлять его интенсивностью регулированием усилия прижима и скорости перемещения инструмента.

Ультразвуковая виброударная система с промежуточными бойками внедрена на ряде предприятий машиностроения со значительным экономическим эффектом при обработке сварных швов изделий.

Применение виброударного ультразвукового инструмента при обработке трубной стали 17ГТС обеспечило повышение коррозионной стойкости стали на 5 10%. При ремонте коррозионных участков газовых трубопроводов УУЗО оказало двойное действие: повышение коррозионной стойкости и упрочнение стали. В результате этого утонченные из-за коррозии стенки трубы после УУЗО восстанавливали свою прочность.

Пятая глава диссертации посвящена исследованию влияния обработки ультразвуковым инструментом на вязкость и смачивающую способность эпоксидных смол и композиций на их основе, применяемых для изготовления полимерных композиционных материалов.

Ультразвуковая обработка эпоксидных смол и их композиций проводилась технологическим инструментом и при режимах, описанных в четвертой главе. Исследовалось влияние УУЗО на вязкость эпоксидных смол ЭД-16, ЭД-20, ЭД-22, ЭД-24.

Установлено, что для смолы ЭД-20 максимальное снижение вязкости наблюдается при обработке в течение =5…15 мин., а более длительное (1015мин) постоянство вязкости после УУЗО при интенсивностях обработки ультразвуковым инструментом = 15…30 Вт/см². Регрессионный анализ полученных результатов позволил установить эмпирическую зависимость вязкости от интенсивности и времени обработки ультразвуковым инструментом .

Минимальная вязкость сохраняется дольше, если обработку проводить при =30 Вт/см² в течение =15 мин. Этот вывод был подтвержден также исследованием инфракрасных спектров обработанного олигомера. Таким образом в качестве оптимального был принят режим обработки ультразвуковым инструментом при =15 …30 Вт/см² в течение =5…15 мин. Увеличение времени обработки инструментом до 1012 минут приводит к снижению вязкости смол, а более 2022 минут к увеличению. Наибольшее снижение вязкости наблюдалось у смолы ЭД-16 с большей молекулярной массой и с большим числом гидроксильных групп. Рост вязкости при обработке свыше 20 минут объясняется полимеризацией смолы. Вязкость смол ЭД-20 и ЭД-16 после обработки ультразвуковым инструментом достаточно долго не возрастает до первоначальных значений вследствие более медленных релаксационных процессов.

...