при каких операциях эффективно применение ультразвука в машиностроении

Содержание
  1. Ультразвук в обработке металлов
  2. Способ обработки
  3. Применения ультразвуковой обработки
  4. Ультразвуковая обработка: технология, преимущества и недостатки
  5. Обработка металлов ультразвуком
  6. Принципы действия основных излучателей
  7. Операции, выполняемые ультразвуковой механообработкой резанием
  8. Технология ультразвуковой обработки металлов
  9. Особенности технологии ультразвуковой обработки металла
  10. Обработка поверхности металлов ультразвуком
  11. Современные технологии ультразвуковой обработки металлов на выставке
  12. Ультразвуковая обработка материалов
  13. 1. Физические свойства и особенности распространения ультразвука
  14. 2. Принцип действия установок для генерации ультразвуковых колебаний
  15. 3. Физическая сущность ультразвуковой обработки
  16. 5. Применение ультразвука при электродуговой наплавке
  17. 6. Штамповка с применением ультразвука
  18. 7. Совмещенная ультразвуковая и электропластическая обработка

Ультразвук в обработке металлов

lazy placeholder

Уже достаточно долгое время в машиностроении и металлообработке используются возможности ультраакустической энергии для успешной работы с такими твердыми и хрупкими материалами, как карбид вольфрама, тантал, молибден, закаленные стали, алмаз, корунд, керамика и многих других.

Способ обработки

Коренное отличие этого метода от привычных способов механообработки заключается в том, что воздействие ультразвуком не ведет к разрушению металла, поскольку обрабатываемая поверхность не подвергается термическим напряжениям и не вытравливается электрохимическим путем.

Основным направлением применения данного метода обработки является получение изделий простых конфигураций из электропроводных материалов и диэлектриков.

Процесс обработки ультразвуком заключается в нанесении на обрабатываемую поверхность суспензии (абразив и жидкость), после чего накладываются ультразвуковые колебания. В суспензии возникают кратковременные гидравлические удары абразивом о материал заготовки, разрушающие металл.

Пока что нельзя утверждать, что воздействие ультразвука на материал полностью изучено. При этом можно предположить, что обработка происходит вследствие разрушительного действия кавитации, которая возникает в увлаженном абразиве, и, собственно, режущем качестве самого абразива.

Возможности ультразвука в разы повышают производительность обработки, повышают качество обработки и упрочняют поверхностный слой материала. Ультразвук позволяет значительно облегчить обработку деталей из труднообрабатываемых материалов.

Применения ультразвуковой обработки

Наибольшую популярность ультразвук приобрел в деле изготовления матриц из закаленной стали и в инструментальном производстве: ультразвуковое воздействие с успехом применяется при изготовлении стружколомательных канавок на токарных резцах, оснащенных пластинами твердого сплава.

Новаторством в машиностроении является применение ультраакустики для эффективной и быстрой очистки поверхностей деталей, даже самых труднодоступных. Данный метод намного производительней традиционных способов очистки – металлическими щетками, химическими средами, специнструментом и так далее.

Интенсификация стандартных процессов резания за счет применения ультразвука происходит путём наложения ультразвуковых колебаний на лезвийный инструмент (как правило – токарный резец или же фрезу). Недостатком данного метода является возможное резкое ускорение износа режущей части инструмента, вплоть до мгновенного выкрашивания режущей кромки. Это происходит вследствие усиления ударных процессов с каждым новым снятием стружки.

Но данный недостаток с лихвой компенсируется достоинствами:

Источник

Ультразвуковая обработка: технология, преимущества и недостатки

3084444

Металлообрабатывающая промышленность на данном этапе развития способна решать сложные задачи резки и сверления заготовок разной степени твердости. Это стало возможно благодаря освоению принципиально новых способов воздействия на материал, среди которых и широкая группа электромеханических методов. Одной из наиболее эффективных технологий данного типа является ультразвуковая обработка (УЗО), базирующаяся на принципах электроакустического излучения.

Принципы размерной УЗО

3084452

При размерной обработке в качестве непосредственного инструмента воздействия выступают привычные механические резчики и абразивы. Ключевое отличие этого способа заключается в источнике энергии, который приводит инструмент в действие. В этом качестве как раз и выступает ультразвуковой генератор тока, работающий на частотах 16–30 кГц. Он провоцирует колебания тех же зерен абразива на ультразвуковой частоте, что и обеспечивает характерное качество обработки. Причем надо отметить и разнообразие видов механического воздействия. Это не только обычный раскрой и элементы шлифования, но и деформирование структуры при сохранении ее объема. Более того, ультразвуковая размерная обработка обеспечивает минимальную выборку частиц заготовки даже при резке. Зерна, оказывающие воздействие на материал, точечно выдалбливают микрочастицы, не влияющие на конструкцию изделия. По сути, разрушение структуры путем выборки не происходит, однако может иметь место бесконтрольное распространение трещин.

Отличия от технологии плазменной обработки

По качеству обработки ультразвуковой и плазменный способы имеют много схожих черт, обеспечивая возможность высокоточного раскроя. Но также между ними есть существенная разница в принципе работы. Так, если УЗО предполагает интенсивное воздействие на абразивный порошок со стороны торцовочного инструмента при энергетической поддержке электрического волнового генератора, то метод плазменной обработки в качестве рабочей среды использует ионизированный газ, заряженный ионами и электронами. То есть технологии ультразвуковой и плазменной обработки одинаково требуют поддержки достаточно мощного генератора энергии. В первом случае это ультразвуковой электрический аппарат, а во втором – высокотемпературные газовые или изотермические установки, способные довести температурный режим рабочей среды до 16 000 °C. Важным компонентом плазменной обработки является применение электродов и плазмообразующих веществ, обеспечивающих высокую мощность направляемой дуги резчика.

Аппараты для ультразвуковой обработки

3084443

Теперь стоит подробнее остановиться на оборудовании, которое используется в осуществлении УЗО. На крупных производствах для таких целей применяют станки, обеспеченные генераторной установкой для выработки переменного тока ультразвуковой частоты. Генерируемый ток направляется в обмотку магнитного преобразователя, который, в свою очередь, создает электромагнитное поле для рабочего органа установки. Ультразвуковая обработка начинается с того, что пуансон станка начинает вибрировать, находясь в среде электромагнитного поля. Частоты этой вибрации задает генератор исходя из установленных параметров, которые требуются в конкретном случае.

Пуансон выполняется из магнитострикционного материала (сплав железа, никеля и кобальта), способного изменяться в линейных размерах под действием магнитного преобразователя. И на заключительном ответственном этапе пуансон воздействует на абразивный порошок через направляемые по волноводу-конденсатору колебания. Причем масштабы и мощность обработки могут быть разными. На рассмотренном оборудовании выполняется промышленная металлообработка с формовкой массивных конструкций, но также существуют и компактные приборы с аналогичным принципом действия, на которых выполняется высокоточная гравировка.

Техника выполнения размерной УЗО

3084456

После установки оборудования и подготовки целевого материала выполняется подача абразивной суспензии в зону проведения операции – то есть в пространство между поверхностью изделия и колеблющимся торцом. К слову, в качестве самого абразива обычно применяются карбиды кремния или бора. На автоматизированных линиях вода используется для доставки порошка и охлаждения. Непосредственно ультразвуковая обработка металлов заключается в двух операциях:

Важным условием эффективности всего процесса является поддержание высокого темпа при выполнении обеих процедур до завершения цикла. В ином случае происходит изменение параметров обработки и снижается точность направления абразива.

3084450

Предварительно устанавливаются параметры обработки, оптимальные для конкретной задачи. Учитывается и конфигурация механического воздействия, и свойства материала заготовки. Усредненные характеристики ультразвуковой обработки можно представить так:

Варьирование этих показателей позволяет выполнять не только индивидуальную высокоточную линейную обработку, но и аккуратно формировать сложные пазы и вырезы. Во многом работа со сложными геометрическими формами стала возможной и благодаря совершенству характеристик пуансонов, которые могут воздействовать на абразивный состав в разных моделях с тонкой надстройкой.

Снятие заусенцев посредством УЗО

Данная операция основывается на увеличении кавитационной и эрозийной активности акустического поля при внесении в абразивный поток сверхмалых частиц от 1 мкм. Данный размер сопоставим с радиусом воздействия ударной звуковой волны, что позволяет разрушать слабые зоны заусениц. Рабочий процесс организуется в специальной жидкостной среде с глицериновой смесью. В качестве емкости также используется специальная оснастка – фитомиксер, в стакане которого находятся взвешенные абразивы и рабочая деталь. Как только на рабочую среду подается акустическая волна, начинается беспорядочное движение абразивных частиц, которые воздействуют на поверхности заготовки. Мелкие зерна карбида кремния и электрокорунда в смеси из воды и глицерина обеспечивают эффективное удаление заусенцев размером до 0,1 мм. То есть ультразвуковая обработка обеспечивает аккуратное и высокоточное снятие микродефектов, которые могли остаться даже после традиционной механической шлифовки. Если речь идет о крупных заусенцах, то есть смысл повысить интенсивность процесса, добавив в емкость химические элементы наподобие медного купороса.

3084457

Очистка деталей с помощью УЗО

На поверхностях рабочих металлических заготовок могут присутствовать разного рода покрытия и загрязнения, которые не допускается в силу тех или иных причин удалять традиционной абразивной зачисткой. В этом случае также используется технология кавитационной ультразвуковой обработки в жидкостной среде, но с рядом отличий от предыдущего метода:

Алмазное сверление при поддержке ультразвука

Метод предусматривает использование вращающегося алмазного инструмента, который приводится в действие ультразвуковыми колебаниями. Энергетические затраты на процесс обработки превышают объем требуемых ресурсов при традиционных способах механического воздействия, достигая 2000 Дж/мм3. Данная мощность позволяет выполнять сверление диаметром до 25 мм на скорости от 0,5 мм/мин. Также ультразвуковая обработка материалов сверлением требует использования охлаждающей жидкости в больших объемах до 5 л/мин. Потоками жидкости производится и вымывание с поверхностей оснастки и заготовки мелкодисперсного порошка, образуемого при разрушении абразива.

Контроль выполнения УЗО

3084448

Технологический процесс находится под контролем оператора, который отслеживает параметры воздействующих колебаний. В частности, это относится к амплитуде колебаний, скорости звука, а также интенсивности подачи тока. С помощью этих данных обеспечивается контроль рабочей среды и воздействия абразивного материала на заготовку. Данная возможность особенно важна при ультразвуковой обработке инструментов, когда в одном технологическом процессе может использоваться несколько режимов работы оборудования. Наиболее прогрессивные методы контроля предполагают участие автоматических средств изменения параметров обработки на основе показаний датчиков, фиксирующих параметры изделия.

Преимущества ультразвуковой технологии

Использование технологии УЗО дает целый ряд преимуществ, который проявляются в разной степени в зависимости от конкретного способа ее реализации:

Широкому применению данного метода пока препятствует и ряд недостатков. В основном они связаны с технологической сложностью организации процесса. Кроме того, ультразвуковая обработка деталей требует обеспечения дополнительных операций, среди которых доставка абразивного материала к рабочей зоне и подключение оборудования для водяного охлаждения. Эти факторы могут повышать и стоимость работ. При обслуживании промышленных процессов возрастают и энергетические затраты. Дополнительные ресурсы требуются не только на обеспечение функции основных агрегатов, но также и на функционирование систем предохранения и токосъемников, передающих электрические сигналы.

3084476

Внедрение в металлообрабатывающие процессы технологии ультразвуковой абразивной обработки было обусловлено ограничениями в использовании традиционных методов резки, сверления, обточки и т. д. В отличие от обычного токарного станка ультразвуковая обработка металлов способна эффективно справляться с материалами повышенной твердости. Применение этой технологии позволило выполнять операции обработки закаленной стали, титано-карбидных сплавов, вольфрамосодержащих изделий и т. д. При этом гарантируется высокая точность механического воздействия с минимальным повреждением структуры, находящейся в рабочей зоне. Но, как и в случае с другими инновационными технологиями наподобие плазменной резки, лазерной и гидроабразивной обработки, пока сохраняются и проблемы экономического и организационного свойства при использовании таких методов обработки металла.

Советуем подписаться на наши страницы в социальных сетях: Facebook | Вконтакте | Twitter | Google+ | Одноклассники

Источник

Обработка металлов ультразвуком

obrabotka metallov ultrazvukomУльтразвуковая обработка — технология образования новых поверхностей на детали, выполненной из твердых и хрупких материалов. Ее принцип заключается в копировании формы инструмента. Данная методика дает возможность получать изделия со сложным профилем. С ее помощью улучшаются процессы механообработки резанием, а также выполнятся дефектоскопия, очистка, пайка и прочие технологические операции, в которых используются ультразвуковые колебания.

Ультразвуковое колебание — механическое колебание, имеющее частоту 16418 кГц — 2000 МГц. Основным его источником является магнитострикционный или пьезоэлектрический излучатель, преобразующий высокочастотное электричество в механические колебания.

Принципы действия основных излучателей

Суть магнитострикции состоит в том, что ферромагнитный стержень, помещенный в переменное магнитное поле, способен видоизменяться. Изменение геометрии стержня обуславливается воздействием акустических волн. Наибольшей амплитуды колебаний можно добиться в том случае, если частота магнитного поля совпадет с частотой колебаний элемента, помещенного в данное поле (при этом образуется акустический резонанс).

Амплитуда колебаний стержня напрямую зависит от его характеристик типа физических свойств. Эти показатели незначительны, но их достаточно для производства высокотехнологичных ультразвуковых установок.

Следует отметить, что лучшим металлом-ферромагнетиком является никель.

В основе работы пьезоэлектрического излучателя лежит обратный пьезоэффект. Это означает, что при воздействии электрическим полем на кристалл, он деформируется. Таким образом генерируется большой спектр ультразвуковых частот. Подобные устройства создают акустические колебания с частотой, достигающей 100 МГц.

Главный элемент пьезоизлучателя — твердая пластина, выполненная из кварца, турмалина, титаната бария и прочих материалов.

Операции, выполняемые ультразвуковой механообработкой резанием

Ультразвуковая механообработка резанием (УЗМОР) подразумевает снятие припуска с заготовки, сопровождающееся образованием стружки. Другими словами, получить новые поверхности невозможно не разрушив поверхностный слой заготовки.

Наложение ультразвукового контроля (УЗК) на инструмент создает лучшие условия для механообработки, а именно становится возможным:

ultrasonicПоложительное влияние УЗК выражается в следующем:

УЗМОР выполняется на металлорежущих станках. При этом выполняя токарные работы, необходимо следить за тем, чтобы режущая кромка резца была перпендикулярна поверхности обработки. Следует отметить, что в процессе фрезерования и рассверливания применяются крутильные установки УЗК, а в процессе протягивания, чернового сверления и резьбонарезания — продольные.

Использование установок УЗК при резьбонарезании помогает:

Упрочнение металла путем стабилизации осуществляется при использовании колебаний, чья частота не превышает 50 Гц.

Упрочнение металла посредством кавитации выполняется за счет применения гидравлических микроударов, которые образуются из-за проявлений УЗК, вызванных жидкой средой. После того как проходит волна растяжения, в жидкости образуются разрывы, вызывающие микрополости, которые приводят к образованию ударных волн. Роль жидкой среды выполняют органические растворители. Химическое и механическое воздействие на деталь способствует эффективной ее очистке от грязи и окалины, конечно, если мощности установки производящей ультразвуковые волны будет достаточно.

Кавитация, как и ударно-волновые явления, активно применяется для реализации мойки и очистки деталей от накипи, окалины, следов коррозии.

Источник

Технология ультразвуковой обработки металлов

Механический метод работы с металлами уже давно используется наряду с такими инновационными технологиями, как ультразвуковая обработка металла и плазменная резка.

Технический прогресс в мире делает необходимым применение новых методов работы и высокотехнологических материалов, которые плохо поддаются обычному механическому воздействию. Именно для таких металлов стали применять ультразвуковую обработку.

Особенности технологии ультразвуковой обработки металла

Данная технология является одной из разновидностей технологии долбления. Ультразвук позволяет снять поверхностный слой с заготовки путем образования выколов и трещин, которые возникают под действием нагрузки.

Ультразвуковая обработка появилась из-за невозможности воздействовать на материалы непроводящего и непрозрачного типа привычным механическим методом. Ультразвук способен справиться с любыми материалами.

Среди преимуществ данной технологии можно выделить такие:

Суть процесса сводится к тому, что в рабочий сектор оборудования вливается абразивное вещество. Рабочий сектор – пространство между заготовкой и вибрирующим торцом инструмента. От колебания абразивные зерна бьются об поверхность металла, что способствует повреждению верхнего слоя.

В качестве абразивного материала могут быть использованы такие вещества, как элементы кремния и бора на основе карбида.

При ультразвуковой обработке используется и жидкость – для подачи абразива. В качестве жидкости всегда применяется вода.

Такая установка обеспечивает высокое качество работ, так как рабочий инструмент, который и образует вибрацию, выполнен из вязких компонентов, что способствует его малому износу в процессе работы.

Кроме того, режущий инструмент не чувствителен к воздействию нагрузок ударного типа. В качестве оборудования применяются специальные станки, которые являются универсальными ультразвуковыми агрегатами и могут быть использованы для промышленности и небольших предприятий.

Обработка поверхности металлов ультразвуком

Ультразвуковая обработка поверхности металла состоит из нескольких процессов. Основным из них является внедрение абразивного материала и воздействие его на заготовку.

Второй процесс – постоянная циркуляция и замена абразива для качественной обработки изделия. Чтобы технология была максимально эффективной, необходимо тщательное выполнение обоих процессов, так как нарушение любого из них приведет к снижению производительности.

Несмотря на то, что процесс ультразвуковой обработки металла распространился еще в 60-е годы прошлого века, она по сей день считается новым методом качественной обработки заготовок. Такой метод позволяет существенно упростить весь технологический процесс производства любых изделий – из твердого или хрупкого материала.

Технология ультразвуковой обработки металлов позволяет работать с деталями и заготовками любых размеров и конфигураций.

Однако ультразвуковая технология обработки металла имеет и один недостаток – при таком воздействии снижается производительность показателей при росте толщины слоя, который снимается с заготовки.

Современные технологии ультразвуковой обработки металлов на выставке

В Москве, в ЦВК «Экспоцентр» состоится традиционная ежегодная выставка «Металлообработка». Выставка является крупнейшей в России и странах СНГ, она имеет международный характер.

На экспозициях мероприятия будут презентованы новые технологии обработки металлов, а также представлено новое оборудование. Выставка отражает мировые тенденции развития отрасли металлургии и способствует развитию этой же отрасли в России.

Источник

Ультразвуковая обработка материалов

1. Физические свойства и особенности распространения ультразвука

Ультразвуковыми называются упругие колебания материальной среды с частотой, превышающий предел слышимости (15–20 кГц). Ультразвуковые колебания могут распространяться в любых упругих средах: жидких, твёрдых, газообразных. Различают три вида ультразвуковых волн – продольные, поперечные и поверхностные. В твёрдых телах могут распространяться волны всех трёх видов, в жидких и газообразных – только продольные волны разрежения – сжатия.

Ультразвук в газах, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твердые тела представляют собой хорошие проводники, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука в 1000 раз меньше чем в воздухе.

Малая длина ультразвуковых волн является основанием для того, чтобы рассматривать их распространение методами геометрической акустики. Физически это приводит к лучевой картине распространения. Отсюда вытекают такие свойства ультразвука, как возможность геометрического отражения и преломления, а так же фокусировка звука. Следующая важная особенность ультразвука – возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики.

Важной особенностью ультразвука является возможность концентрации энергии при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов. Так, распространению ультразвуковых волн в газах и жидкостях сопутствует движение среды, которое называется акустическим течением.

К числу важных явлений акустического течения относится кавитация, заключающаяся в росте в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкости, которые начинают пульсировать с частотой ультразвука и захлопываются в положительной фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие давления, порядка тысяч атмосфер и образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков возникают акустические микропотоки. Ультразвуковые явления в кавитационном поле используются при получении эмульсий, аэрации жидкостей, очистке поверхностей от загрязнений, обезжиривании и травлении, ультразвуковом диспергировании, акустическом эмульгировании и т. д.

Основными параметрами ультразвуковых колебаний являются: длина волны λ – расстояние между двумя смежными точками, находящимися в одной фазе; амплитуда колебаний А – наибольшее смещение колеблющейся точки от положения равновесия; частота колебаний f – количество колебаний в единицу времени; период колебаний T – время распространения волнового движения на расстояние, равное длине волны; средняя скорость колебательных движений V; скорость распространения звуковых волн С.

2. Принцип действия установок для генерации ультразвуковых колебаний

Ультразвуковые установки, используемые для размерной обработки материалов (рис. 1) содержат: генератор электрических колебаний; акустический преобразователь; ультразвуковую колебательную систему, систему подачи и отвода охлаждающей жидкости и суспензии с абразивом.

shema ustanovki dlya ultrazvukovoj razmernoj obrab

Рисунок 1 – Схема установки для ультразвуковой размерной обработки (а) и схемы концентраторов: экспоненциального (б), конического (в) и ступенчатого (г): 1 – генератор; 2 – акустический преобразователь; 3-ультразвуковая колебательная система; 4 – система подачи охлаждающей жидкости и суспензии с абразивом

Ультразвуковые генераторы предназначены для преобразования электрического тока промышленной частоты (50 Гц) в ток высокой частоты.

Акустический преобразователь предназначен для преобразования электрических высокочастотных колебаний в механические. Для целей размерной обработки преимущественно применяются магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи.

В магнитострикционных преобразователях используется эффект продольной магнитострикции, заключающийся в изменении длины сердечника из ферромагнитного материала, помещенного в магнитное поле. Простейший магнитострикционный преобразователь представляет собой сердечник, выполненный в виде стержня или рамки с обмоткой возбуждения. При прохождении по обмотке переменного электрического тока в сердечнике наводится переменное магнитное поле, и возникают упругие деформации, вызывающие продольные колебания сердечника.

Для уменьшения потерь на токи Фуко металлические сердечники набирают из штампованных тонких пластин или наматывают из тонкой ленты. Магнитострикционные преобразователи выполняются с водяным охлаждением. Их максимальный электроакустический КПД в диапазоне частот 20…30 кГц составляет 50…70 %. С повышением частоты колебаний его значение уменьшается.

Магнитострикционные преобразователи изготавливают также из ферритов. Потери на вихревые токи у них практически отсутствуют. Поэтому сердечники из ферритов выполняют монолитными. Для их подмагничивания используют пластины ферритовых постоянных магнитов, которые вставляют или вклеивают в магнитопровод преобразователя. Электроакустический КПД ферритовых преобразователей достигает 80…85 %. Они не требуют высокого напряжения питания, принудительного водяного охлаждения.

В пьезоэлектрических преобразователях используется пьезоэлектрический эффект, сущность которого состоит в том, что в кристаллах с определённым типом решёток под действием электрического тока возникают внутренние напряжения, пропорциональные напряженности электрического поля. В результате размеры кристалла изменяются в соответствии с изменением электрического тока.

Все пьезоэлектрические материалы подразделяются на естественные и искусственные. Естественные – это кварц, сегнетовая соль, турмалин; искусственные – керамики титаната бария ЦТС-19 и титаната свинца ЦТС-23.

Преобразователи из кварца дорогие, а их размеры ограничены. Пьезокерамика значительно дешевле и требует меньших возбуждающих напряжений.

Колебательная система предназначена для передачи возникающих в преобразователе колебаний к рабочим узлам установки и в конечном итоге к обрабатываемой поверхности. В состав колебательной системы входят: волновод, концентратор, инструмент.

Волновод – это стержень или труба постоянного сечения, соединяющая акустический преобразователь с концентратором.

Концентратор предназначен для увеличения амплитуды механических колебаний инструмента путём обеспечения резонанса частот вибратора (магнитострикционного или пьезоэлектрического) с исполнительным инструментом. Основные формы концентраторов представлены на рисунке 1 б, в, г.

3. Физическая сущность ультразвуковой обработки

Ультразвуковая обработка основана на ударном воздействии торца инструмента на вершины наиболее крупных абразивных зёрен. Этот метод состоит из двух основных процессов: ударного вдавливания абразивных зёрен, вызывающего появление трещин и отделение небольших частиц хрупкого материала; циркуляции и смены абразива в рабочей зоне. Происходит хрупкое разрушение обрабатываемых материалов и одновременно вязкое разрушение инструмента.

При ударе торца инструмента по абразивным зернам вершины зерен вдавливаются в поверхностные слои детали и инструмента (рис. 2 а). Внедрение частиц абразива в инструмент приводит только к пластическим деформациям, и в поверхностном слое обрабатываемой детали возникает сетка напряжений (рис. 2 б). Под влиянием напряжений, создаваемых последующими ударами торца инструмента, происходит расширение микротрещин и образование новых. Возникает зона разрушения от деления частиц в тот момент, когда максимальные касательные напряжения в зоне вдавливания превосходят сопротивление сдвигу. Несущая абразив вода расширяет микротрещины, облегчает образование сколов, доставляет новый абразив в зону обработки, а также охлаждает инструмент и деталь.

word image 166

Рисунок 2 – Схемы процессов резания (а) и разрушения (б) при ультразвуковой обработке: 1 – деталь; 2 – инструмент; 3 – суспензия с абразивом

Количественной оценкой целесообразности ультразвуковой обработки материала является критерий хрупкости

word image 332

При ультразвуковой сварке соединяемые поверхности прижимаются с небольшим давлением Pст и подвергаются сдвигу с ультразвуковой частотой одна относительно другой (рис. 4). В результате действия сдвиговых деформаций в микрообъёмах зоны контакта происходит пластическая деформация, дробление хрупких окисных плёнок на трущихся поверхностях и образование общих кристаллов, прочно соединяющих свариваемые изделия.

shema ultrazvukovoj svarki

Рисунок 4 – Схема ультразвуковой сварки: 1 – преобразователь; 2 – концентратор; 3 – инструмент; 4 – соединяемые изделия; 5 – траверса; 6 – наконечник; 7 – опора

Схемы устройств для реализации продольно-крутильных колебаний представлены на рисунке 5 в, г. В магнитострикционном преобразователе 1 на боковой поверхности излучателя по винтовой линии выполнены окна. В них размещена обмотка возбуждения (рис. 5 в). В процессе работы таких устройств создаются как крутильные, так и продольные колебания. Достоинством этих устройств являются малые габариты при высоком коэффициенте полезного действия преобразователя.

Возбуждение крутильно-продольных колебаний возможно при использовании конструкции, в которой вращающий момент возникает благодаря присоединению инструмента со спиральной нарезкой (рис. 5 г). Особенностью такого устройства является его универсальность. При снятии инструмента с нарезкой в свариваемом изделии возбуждается только нормальные колебания.

Для повышения мощности крутильных колебаний могут использоваться два или более преобразователя, соединённых с волноводом (рис. 5 д, е).

В конструкции сварочной головки с крутильными колебаниями (рис. 1.31 ж) используются оба торца преобразователя. Волновод с загнутыми концами совершает продольные колебания. Оба торца преобразователя соединяют с волноводом-инструментом, которые совершает крутильные колебания. Статическое давление в этом случае прикладывают в центральной точке волновода – инструмента, совершающего крутильные колебания.

shemy svarki dejstviya sil i konstrukcij s prodol

Рисунок 5 – Схемы: сварки (а), действия сил (б) и конструкций (в–ж) с продольно-крутильными и крутильными колебаниями волновода: 1 – преобразователь с обмоткой; 2, 3, 4 – волноводы

Ультразвуком можно сваривать почти все металлы и сплавы, применяющиеся в промышленности. Лучше всего свариваются пластичные металлы с близкими значениями предела прочности. Предпочтительно ультразвуковую сварку применять для соединения металлов, обладающих низким электрическим сопротивлением и высоким коэффициентом теплопроводности, сварка которых другими методами затруднена.

С помощью ультразвуковой сварки можно соединять неметаллические материалы, например, различные пластмассы и керамику. Возможна сварка неметаллических материалов с металлами.

Ультразвуком можно сваривать большое количество термопластичных пластмасс. Сварка термопластичных пластмасс происходит в вязко-текучем состоянии при температуре выше температуры размягчения, но ниже температуры разложения, при небольшом статическом давлении. Так как пластмасса обладает малой теплопроводностью, то она достигает вязко-текучего состояния только в тонком поверхностном слое. Поэтому сварка осуществляется за доли секунды. Полимерные материалы свариваются не только при малых толщинах, но и при толщине, превышающей 10 мм.

При помощи ультразвуковых колебаний можно сваривать метилметакрилат, полиэтилен, винипласт, хлорвинил, капрон, нейлон, фторопласт. Ультразвуковой сваркой можно соединять также разнородные пластмассы.

Одним из существенных достоинств ультразвуковой сварки является отсутствие нагрева значительных объёмов до температур плавления и сопутствующих изменений физико-химических свойств. Это позволяет получать сварные соединения со стабильными электро-и теплопроводностью, коррозионным сопротивлением, механическими свойствами. Структура зоны сварки в основном соответствует структуре свариваемого материала. Прочность соединения практически равна прочности основного металла либо превышает её.

Статические усилия при ультразвуковой сварке намного меньше усилий, применяемых при холодной сварке. Вследствие этого деформации образцов незначительны и составляют 5-10 % вместо 60-80 % при холодной сварке давлением. Поэтому с помощью ультразвуковой сварки можно соединять детали весьма малых толщин.

Наряду с достоинствами ультразвуковая сварка имеет ряд недостатков, основными из которых являются следующие:

Из экономических соображений ультразвуковую сварку применяют для соединения лишь определённых металлов. Целесообразность применения ультразвуковой сварки связана прежде всего с прочностными характеристиками получаемых соединений. Например, ультразвуковая сварка меди обеспечивает прочность соединения в 2 раза выше по сравнению с электроконтактной, при этом затраты энергии в 10 раз меньше.

Сваривают металлы толщиной, не более (мм): алюминий – 3, медь – 2, сталь – 1,3, латунь – 1. Металлы молибден, кобальт, тантал, вольфрам, бериллий толщиной 0,5–0,75 мм могут свариваться лишь в определённых условиях.

Хрупкие и тугоплавкие металлы, такие как бериллиевая бронза, твёрдая электролитическая медь, пружинная сталь некоторых марок, свариваются с трудом.

Большое место ультразвуковая сварка занимает в радиоэлектронике (ультразвуковая микросварка). Она имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами сварки при изготовлении полупроводниковых приборов и микросхем. Ультразвуковая микросварка позволяет получать соединения однородных и разнородных материалов, применяющихся в микроэлектронике. Ультразвуковая сварка применяется для соединения проволочных (диаметр 10 мкм) и ленточных (толщина 70–100 мкм) выводов из золота, алюминия и других металлов в самых различных полупроводниковых приборах и интегральных схемах.

Ультразвуковая микросварка используется в электровакуумной и электротехнической промышленности. Большую группу соединений составляют различные электрические выводы к изделиям, соединения медных деталей, контактов, реле, коллекторов.

5. Применение ультразвука при электродуговой наплавке

При электродуговой наплавке поверхностей металлов важным элементом процесса является каплеперенос расплавленного электродного металла. Эффективность каплепереноса электродного металла и производительность наплавки заметно повышаются при придании плавящемуся электроду поперечных колебательных движений. Поперечные колебания электрода способствуют изменению формы и структуры наплавленного слоя металла. Известно, что при электродуговой наплавке металл наплавленного слоя состоит из столбчатых кристаллов – дендритов, расположенных перпендикулярно к линии оплавления основного металла. При этом аустенитные зерна основного металла по линии оплавления являются основой для растущих дендритов, из-за чего число и размеры последних определяются величиной и количеством этих зёрен. Поэтому чем крупнее зёрна основного металла на участке перегрева зоны термического влияния, тем больше в структуре наплавленного слоя будут иметь место столбчатые кристаллы. Уменьшая длину слоя жидкого металла за счёт поперечных колебаний, можно сократить пребывание электрода в зоне перегрева. Это уменьшает величину зерна основного металла в зоне оплавления, а следовательно способствует формированию мелкозернистой структуры наплавленного металла. Известно, что четкая ориентация дендритов способствует повышенной хрупкости наплавленного металла, тогда как ультразвуковые колебания способствуют созданию прочной дезориентированной структуры наплавленного слоя.

Схема технологической установки для наплавки с ультразвуком легирующей металлопорошковой присадкой в среде защитного газа представлена на рисунке 6.

shema tehnologicheskoj ustanovki dlya naplavki s ul

Рисунок 6 – Схема технологической установки для наплавки с ультразвуком и металлопорошковой присадкой: 1 – устройство для передачи ультразвуковых колебаний на электрод; 2 – волновод-концентратор; 3 – электродная проволока; 4 – корпус наплавочной головки; 5 – токовод; 6 – устройство для подачи газопорошковой смеси; 7 – наплавляемая поверхность

Установка работает следующим образом. Устройство 1 передает от генератора через волновод-концентратор 2 продольные ультразвуковые колебании тоководу 5, установленному в наплавочной головке. В направляющей трубке токовода 5 возбуждаются поперечные колебания, которые передаются наплавочной проволоке 3. Колебания электродной проволоки вызывают диспергирование капель расплава электрода на мелкие частицы, которые получив колебательные движения, попадают в сварочную ванну и, став дополнительными центрами кристаллизации, способствуют образованию однородной структуры.

Сравнительный анализ полученных структур показывает, что зернистость, плотность и качество слоя, наплавленного с применением ультразвуковых колебаний значительно больше, чем слоя, наплавленного без ультразвука. Причем при наплавке с ультразвуковыми колебаниями практически отсутствует граница раздела слоев: покрытие-основа, что характеризует их высокую сцепляемость и плавный градиент свойств. Ультразвуковые колебания активно способствуют процессам зарождения и образования кристаллов, препятствуют их росту и повышают однородность структуры.

При введении в расплав легирующего порошка, частицы которого под воздействием ультразвука находятся во взвешенном состоянии, смачиваются расплавом и, равномерно распределяясь в его объёме, становятся дополнительными центрами кристаллизации, а при затвердевании эта металлосуспензия фиксируется, образуя при кристаллизации композиционный сплав с разнообразными свойствами: антифрикционными, абразивными, износостойкими, коррозионностойкими и другими. При этом достигается увеличение производительности процесса электродуговой наплавки и повышение износостойкости наплавленного слоя в 1,5–1,7 раза.

Наплавленный слой получается качественным, без металлургических дефектов и с более высокой твёрдостью. Такой способ наплавки позволяет снизить градиент температуры по сечению наплавляемого слоя и повысить скорость кристаллизации, что понижает остаточные напряжения как в наплавленном слое, так и в зоне сцепления покрытия с основой.

6. Штамповка с применением ультразвука

Холодная штамповка с наложением ультразвука позволяет осуществить все виды формоизменений: осадку, выдавливание, листовую штамповку.

Сравнительный анализ изменения удельной деформирующей силы при объёмной штамповке в обычных условиях и с наложением ультразвука на пластически деформируемый металл свидетельствует о том, что в последнем случае деформирующая сила значительно снижается.

Например, при осадке с истечением в полость при наложении ультразвука удельная сила деформирования снижается в среднем в 4 раза для алюминия, для меди – в 3 раза и стали – в 2 раза.

Применение ультразвука в процессе безоблойной объёмной формовки снижает удельную силу для меди в среднем в 4,5 раза, причем величина абсолютного снижения удельной силы (табл. 2) возрастает с увеличением степени деформации.

Таблица 2 – Значения деформирующей удельной силы при безоблойной объёмной штамповке меди

Степень деформации, % Удельная деформирующая сила штамповки, МПа Абсолютное снижение удельной деформирующей силы

(Δp = p1 — p2), МПа

Относительное снижение деформирую- щей удельной

силы

в обычных условиях

( p1)

с наложением УЗК

(Δp/p1)100, %

1 105 30 75 3,50 71,6
10 160 32 128 6,00 80,0
15 205 35 170 5,85 83,0
20 240 40 200 6,00 83,3
25 275 52 223 5,30 81,1
30 310 64 246 4,85 79,4
35 355 87 268 4,08 75,5
40 875 240 635 3,64 72,5

Основными причинами снижения удельной силы трения при штамповке с наложением ультразвука являются уменьшение сил контактного трения и особенно – напряжений текучести деформируемого металла.

Применение ультразвука при глубокой вытяжке стаканов диаметром 6,4 мм обеспечивает значительное (в 2–3 раза) снижение деформирующей силы, при этом высота стаканчика увеличивается вдвое.

При вытяжке цилиндрических стаканчиков диаметром 14 мм из стали и меди, когда ультразвуковые колебания подводили к матрице, снижение деформирующей силы вытяжки составило для стали 15-20 %, а для меди – 40 %. При наложении ультразвука на пуансон снижение деформирующей силы, необходимой для вытяжки стаканчика из стали, составило 12-14 %.

Таким образом, в зависимости от способа подведения ультразвука к очагу деформации ультразвуковые колебания могут в большей или меньшей степени интенсифицировать процесс пластического течения металла.

7. Совмещенная ультразвуковая и электропластическая обработка

В основе электропластической обработки лежит эффект, возникающий при определённых условиях во всех случаях обработки металлов давлением. Такими условиями являются напряжения деформации выше предела текучести при дополнительном воздействии непосредственно на зону деформации импульсами электрического тока.

word image 363

Электропластический эффект проявляется при различных видах силового нагружения под действием импульса тока в процессах обработки давлением электропроводящих материалов. В результате эффекта происходит резкое (на десятки процентов) снижение усилий деформации, а также повышение в 1,5 раза допустимых единичных обжатий. При этом отпадает необходимость в операциях промежуточных отжигов.

Общим для всех способов электропластической обработки металлов является подведение тока большой плотности непосредственно в зону деформации металла и минимизация области действия тока размерами зоны деформации.

Целесообразно электропластическую деформацию использовать для интенсификации процессов штамповки, волочения, плющения.

Электропластический эффект успешно применяется для интенсификации процессов листовой штамповки металлов при изготовлении деталей летательных аппаратов. При оптимальном электроимпульсном воздействии без снижения пластических свойств повышается статическая прочность материала изделия, предел выносливости и ресурс циклического нагружения. Так, повышение статической прочности на 10-15 % имело место при обработке сталей 12Х18Н10Т, 30ХГСА; возрастание предела выносливости на 25-35 % при обработке титанового сплава ВТ-8; повышение циклической прочности на 700-800 % при обработке титанового сплава ОТ4.

Электроимпульсное воздействие позволяет увеличивать ресурс деталей летательных аппаратов, работающих в неблагоприятных атмосферных условиях за счёт повышения их коррозионной стойкости. Например, время до начала коррозионного растрескивания образцов из сплава Д16Т возрастает в три раза, а скорость коррозии сплава АМr3М снижается на порядок.

В результате электроимпульсной штамповки происходит в 3-4 раза снижение величины остаточных напряжений и, как следствие, устраняется упругое пружинение.

Большой практический интерес представляет электропластическое волочение вольфрамовой и стальной проволоки, которое по сравнению с обычным волочением имеет ряд преимуществ:

Особенно эффективно использование электропластического эффекта в сочетании с другими способами плющения в приборостроении. На рисунке 7 представлена схема ультразвуковой установки для обработки трудно обрабатываемых материалов способом электропластической деформации.

shema ultrazvukovoj elektroplasticheskoj ustanovki

Рисунке 7 – Схема ультразвуковой электропластической установки для плющения металлов: 1, 8 – приёмно-сдаточный и укладочный механизмы; 2, 7 – соответственно исходная проволока, 4- сплющенная лента; 3 – генератор ультразвуковых колебаний; 4, 5 – преобразователь и концентратор ультразвуковых колебаний; 6 – генератор импульсного тока; 9 – токоподводящие ролики;10 – наковальня; 11 – опорные ролики

Плющение проволоки производится между концентратором ультразвуковых колебаний 5 и наковальней 10. Одновременно в зону деформации через токоподводящие ролики 9 от генератора 6 поступают импульсы тока. Частота ультразвуковых колебаний составляет 18–20 КГц, амплитуда колебаний 20–60 мкм. Плющение проволоки одними ультразвуковыми колебаниями приводила к нарушению её целостности

В настоящее время на основе электропластического эффекта разрабатываются различные варианты эффективных энергосберегающих технологий. Создаётся новое оборудование, проектируются специальные генераторы импульсов тока низкого напряжения, системы контактов, не вызывающие электроэрозию инструмента и заготовок, модернизируется под электропластическую деформацию существующие металлообрабатывающие оборудование.

Источник

admin
Производства
Adblock
detector