Возможные эффекты влияния ультразвука на процессы пластического деформирования металлов при обработке резьбы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Возможные эффекты влияния ультразвука на процессы пластического деформирования металлов при обработке резьбы

С.Я. Березин

Проанализированы известные механизмы воздействия технологического ультразвука на процессы пластической деформации металла, которые потенциально могут иметь место при обработке резьбы резанием или выдавливанием. Учет данных эффектов позволяет сформировать конкретные пути в теоретических и экспериментальных исследованиях получения резьб и сборки соединений с резьбообразующими деталями.

Ключевые слова: ультразвук; резьбообразование; пластическая деформация.

Эффективность действия ультразвука на процессы резьбонарезания и резьбо-выдавливания проявляется через дислокационную природу воздействия на деформируемую среду, а так же через изменение структуры фрикционных взаимосвязей в резьбовом контакте, находящемся в акустическом поле.

Действие УЗ-колебаний на резьбонарезание метчиками и резьбовыдавливание деформирующими инструментами основано на различных физических эффектах: изменении геометрии режущей части в динамическом режиме, снижении сопротивления пластической деформации и сил трения, кавитационных процессах, активизации смазывающих составов, замене формы контакта инструмента с деталью на периодический и др. Необходимо учитывать также и критерии оценки технико-экономической эффективности использования ультразвука в резьбонарезающих процессах.

Известно, что при работе метчиков крутящий момент включает три составляющие:

где Мд - деформационная, связанная с работой заходной режущей или деформирующей части инструмента;

Мтр - фрикционная составляющая, основой которой является процесс трения на калибрующей части инструмента;

Мдп - составляющая от защемления перьев метчика при скручивании его стержня в процессе работы.

Введение УЗ-колебаний в зону резьбонарезания уменьшает составляющую Мдп в 3-4 раза. Изменение профиля внутренней резьбы при работе метчиков в ультразвуковых режимах не наблюдалось.

Снижение уровней деформирующих напряжений объясняется на основе теории дислокаций. Для совершения пластической деформации должна существовать так называемая незакрепляемая дислокация. При перемещении дислокаций они встречают на своем пути препятствия, которыми могут быть различные потенциальные барьеры или иначе ориентированные дислокации (поперечные). Для активации последних необходима энергия в 2-3 раза большая, чем для активации обычных дислокаций. При деформации в статическом поле все большее число подвижных дислокаций задерживается на этих препятствиях, за счет чего материал упрочняется. Для их освобождения необходима внешняя энергия. Следовательно, уменьшение напряжений при воздействии ультразвука можно объяснить активацией задержанных дислокаций. Процесс их активации происходит до тех пор, пока есть приток внешней энергии. Этим объясняется резкое увеличение напряжений при кратковременном выключении колебаний.

Экспериментальные исследования, приведенные в работах В.П. Северденко, А.В. Кулемина, Г.И. Чурсина, показали эффективность воздействия ультразвука на процесс размножения и перемещения дислокаций. Авторы связывают данный процесс с высокой скоростью деформации знакопеременного характера. Это приводит к многократному взаимодействию дислокаций друг с другом с образованием вакансий. Пресыщение решетки данными дефектами увеличивает скорость пластической деформации [1,2].

М.С. Нерубай, Б.Л. Штриков, В.В. Калашников утверждают, что «превышение амплитудой переменных напряжений некоторого порогового значения происходит отрыв дислокаций от точек закрепления и их необратимое движение, которое проявляется в виде коллективных эффектов - образования микросдвигов в виде линий и полос скольжения. Значение пороговой амплитуды обычно составляет 0,3-0,8 от предела текучести» [3].

Изменения механических свойств, происходящие в металлах и сплавах при ультразвуковой обработке, вызваны изменением их структуры. УЗК, интенсивность которых превышает некоторое пороговое значение, вызывают в материале размножение, перемещение и взаимодействие несовершенств кристаллического строения: дислокаций, вакансий, примесных атомов. Наряду с механической работой по совершению процесса деформации, ультразвук вносит в деформируемую область дополнительную работу (энергию), которая расходуется на часть работы по формоизменению, изменению условий фрикционного взаимодействия, на тепловыделение, активизацию смазок и т.д.

Механизм образования и перемещения несовершенств кристаллического строения, их взаимодействие, изменение плотности при ультразвуковой обработке значительно отличаются от обычной деформации. Установлено, что в отличие от статической деформации, условие достижения критического прогиба источника Франка-Рида является недостаточным для формирования дислокационных петель при ультразвуковом формоизменении. Необходимым и достаточным условием работы источника Франка-Рида является наличие пороговой амплитуды напряжения, при превышении которой за период Т/2 образуется замкнутая петля. Данное пороговое значение можно назвать динамическим пределом текучести [ 4 ].

Увеличение амплитуды УЗК приводит к снижению неоднородности деформации и вызывает генерацию большого числа новых дислокаций. Для каждого материала характерна интенсивность УЗК, вызывающая развитие множественного скольжения. При этом перемещение дислокаций происходит по многим направлениям и плоскостям, не участвующим в пластической деформации при статических нагрузках. На поверхности деталей, подвергнутых ультразвуковой обработке с интенсивностью выше пороговой, наблюдаются следы пластической деформации - полосы скольжения. Их количество возрастает с увеличением амплитуды и продолжительности УЗК. Все это вызывает повышение пластичности деформируемого материала (эффект Блага - Лангенеккера).

Установлено, что в изделиях, обработанных с УЗК, повышается концентрация несовершенств кристаллического строения. При этом воздействие колебаний малой мощности, ниже порогового значения, приводит к появлению полос скольжения в виде дислокационных петель или диполей. При достаточно высокой интенсивности образуются дислокационные сплетения и ячейки. В поликристаллах с малоподвижными границами ультразвук вызывает зернограничное проскальзывание.

Для каждого металла и условий обработки существует пороговое значение напряжения, создаваемого УЗК. Например, для алюминия при 20 оС оно составляет 7 МПа, меди - 12 МПа. Для большинства чистых металлов значения пороговых напряжений равны 0,4-0,5 предела текучести материала при его статической деформации. Обработка металлов ультразвуком с амплитудами, меньшими пороговых в течении коротких промежутков времени, не вызывает изменения свойств металла. Амплитуды выше пороговых значений могут привести к упрочнению металла, или разупрочнить его, если материал был упрочнен каким-либо другим способом (накатка, дробеструйный наклеп и т.д.).

С другой стороны, С.А. Кобелев, Д.В. Вольсков считают, что снижение предела текучести происходит в основном за счет миграции дислокаций, а не образования их по методу Франка - Рида. Энергетические затраты на образование дислокаций значительно больше, чем на перемещение уже имеющихся в материале структурных несовершенств в зону пластического течения [1]. По мнению данных авторов, расчет показывает, что при длине дислокационного отрезка L=10-2 - 10-4 см максимум дислокационного поглощения для металлов приходится на частоты от сотен килогерц до десятков мегагерц. Интенсивность УЗК при этом должна быть достаточной, чтобы, основываясь на модели Келера - Гранато - Люке, реализовывался амплитудозависимый гистерезис, как механизм дислокационного поглощения, при котором возможно перемещение дислокаций.

Проблематичность реализации данного принципа очевидна, т.к. существующие генераторные установки не позволяют обеспечить необходимые интенсивности промышленных УЗК на мегагерцовом диапазоне и проверить указанное предположение можно пока только на микрообразцах. ультразвук резьба пластическая деформация

В настоящее время значительное внимание исследователей привлекает такое явление как акустопластический эффект в металлах (АП-эффект), проявляющийся в форме снижения напряжений течения при деформации под действием осциллирующих напряжений звуковой или ультразвуковой частоты. Сам механизм АП-эффекта до сих пор вызывает широкую дискуссию в кругах специалистов в области физики твердого тела. Широко известны работы Российских и зарубежных ученых по данной проблеме, среди которых можно отметить работы К.В.Сапожникова, А.В.Козлова, С.Б.Кустова, Г.А.Малыгина, В.Т.Дегтярева, Minghao Cai, O.Izumi, A.T.Robinson, B.Mainwaring и др. [5]. В ряде работ установлено, что величина эффекта увеличивается с ростом степени деформации и слабо зависит от частоты колебаний. На величину эффекта оказывают влияние амплитуда переменных напряжений, скорость деформации, а также концентрация в кристаллах примесных атомов. В общем случае величина эффекта оценивается следующим образом:

где V - активационный объем;

k - постоянная Больцмана;

T - температура;

- амплитудное значение переменных акустических напряжений.

Механизм суперпозиции постоянных (медленных) и колебательных (акустических) напряжений в сочетании с термоактивационным характером пластической деформации находится в достаточно хорошем согласии с экспериментальными данными и способен объяснить характер зависимостей АП-эффекта от различных факторов.

Тем не менее, основываясь даже на кинетическом принципе влияния ультразвука на процесс пластической деформации, можно отметить, что любое возмущение, вносимое извне в равновесное состояние сплошной среды, вызывает в ней появление механических напряжений. Сложение статического напряжения с амплитудой знакопеременного напряжения в определенной части цикла делает суммарное напряжение достаточным для преодоления дислокациями потенциальных барьеров и, соответственно, для начала более раннего пластического течения.

При распространении ультразвуковой волны напряжение, создаваемое в элементарном объеме, прямо пропорционально амплитуде УЗК и модулю упругости материала

где k - волновой коэффициент, равный ,

- длина волны,

E - модуль упругости,

А - амплитуда,

- круговая частота,

t, x - время и линейная координата.

Таким образом, в алюминиевых сплавах ультразвуковые напряжения могут достигать 20-30 МПа. Кроме того, поглощение УЗК приводит к повышению температуры в приконтактных зонах «инструмент - изделие», что создает термические напряжения, достигающие иногда значений 40-50 МПа и равные

где - коэффициент термического расширения материала детали;

E - модуль упругости материала;

T - градиент температуры;

l - глубина проникновения тепловой волны.

Все это вносит определенный вклад в снижение пороговых напряжений пластического деформирования и, соответственно, рабочих усилий.

Ультразвуковые волны, проходящие через металл, создают переменное поле напряжений, складывающееся со статическим полем и вызывающее рост интенсивности деформаций.

Сложение статического напряжения с амплитудой знакопеременного напряжения в определенной части цикла делает суммарное напряжение достаточным для преодоления дислокациями потенциальных барьеров и, соответственно, для начала более раннего пластического течения.

Основным условием развития пластической деформации являются максимумы напряжений, возникающие при совпадении знака напряжений статической и динамической нагрузок (для линейного напряженного состояния), или пики напряжений, возникающие при геометрическом сложении максимальных сдвигающих напряжений от обоих источников нагружения при объемных напряженно-деформированных состояниях. Механизм воздействия ультразвуковых колебаний на контактное трение обусловлен изменением кинематики скольжения на контактной поверхности, характера взаимодействия контактируемых поверхностей и эффективности действия смазок. Эффект оказывает и направление УЗК в зону контакта. Взаимодействие пульсирующих поверхностей сопровождается трением между микронеровностями, в результате чего выделяется тепло. Нагрев микровыступов приводит к уменьшению напряжений, необходимых для их смятия или сдвига. Степень повышения температуры микровыступов зависит от амплитуды смещений, частоты колебаний и шероховатости инструмента.

В случае резьбовыдавливания механизм действия ультразвука особенно актуален, т.к. от его понимания зависит эффективность процесса, а также правильность разработок оборудования и технологической оснастки. Исследовать действие ультразвука на процесс пластического течения металла возможно путем измерения микротвердости, а также деформационной составляющей крутящего момента при завинчивании образцов, несущих только заходную часть, применением рентгеноструктурного и микроструктурного анализа.

Библиографический список

1. Кобелев С.А., Вольсков Д.В. Снижение энергетических затрат на деформацию материалов путем ультразвукового воздействия // Современные технологии в машиностроении: сб. материалов IV Всероссийской науч.-практ. конф. Ч. 1. Пенза: Изд-во ПДЗ. 2001. С. 88-89.

2. Кулемин А.В. Физическая модель ультразвукового воздействия на процессы в металлах и сплавах в твердом состоянии: тезисы докладов V Всесоюзной науч.-техн. конф. по ультразвуковым методам интенсификации технологических производств. М.: Изд-во МИСИС. 1983. С. 4-5.

3. Нерубай М.С., Штриков Б.Л., Калашников В.В. Ультразвуковая механическая обработка и сборка. Самара : Самар. кн. изд-во. 1995. 190 с.

4. Белоцкий А.В., Винниченко В.Н., Муха И.М. Ультразвуковое упрочнение металлов. Киев: Техника, 1989. 168 с.

5. Малыгин Г.А. Акустопластический эффект и механизм суперпозиции напряжений. // Физика твердого тела. 2000. Т. 42. Вып.2. С. 69-75.

Размещено на Allbest.ru