Ультразвуковое упрочнение (УЗУ)
Ультразвуковое упрочнение (УЗУ)
Если при упрочнении статическими методами ППД инструменту сообщают дополнительно ультразвуковое колебание с частотой 18-24 кГц и амплитудой 15-30 мкм, то они становятся ударными методами (ультразвуковое обкатывание и т.п.)
Рисунок 3.3.27 - Схема ультразвукового упрочнения (УЗУ)
Используют также УЗУ, когда загружаемым рабочим телам, помещённым в замкнутый объём вместе с обрабатываемой деталью, сообщают ультразвуковые колебания, под действием которых происходит упрочнение обрабатываемой поверхности. Процесс (рис. 3.3.28.) напоминает виброударную обработку.
Рисунок 3.3.28 - Схема УЗУ
1 – концентратор; 2 – камера; 3 – обрабатываемая деталь; 4 – стальные шарики.
При обычном ультразвуковом упрочнении инструмент 2 (рис. 3.3.29) под действием статической и значительной ударной силы, создаваемой колебательной системой (ультразвуковым генератором магнитострикционным преобразователем 5 и концентратором 3), пластически деформирует поверхностный слой обрабатываемой детали 1.
Рисунок 3.3.29 - Схема ультразвукового упрочнения.
1-обрабатываемая деталь; 2-рабочая часть инструмента; 3-концентратор; 4-ультразвуковой генератор; 5- магнитострикционный преобразователь; 6-направляющие
Статическую силу Рст можно прикладывать с помощью пружины или груза, под действием которого все устройство может свободно перемещаться по направляющим 6 и поджиматься к детали 1. По сравнению, например, с обкатыванием шаром (ОШ) ультразвуковое упрочнение отличается следующими особенностями и преимуществами:
1 - инструмент пластически деформирует поверхностный слой детали импульсно, с большой интенсивностью колебаний, в результате чего формирование сопровождается прерывистым и интенсивным трением;
2 - кратность приложения силы при деформировании инструментом поверхности в 400 раз более (при ОШ 12-20 раз);
3 - статическая сила, действующая на деталь, незначительна;
4 - скорость деформации — переменная, её максимальное значение 200 м/мин и более, что превышает скорость деформирования при ОШ в десятки и сотни раз;
5 - среднее давление, создаваемое в поверхностном слое детали под действием нормально направленной силы, в 3-9 раз больше, чем при ОШ;
6 - энергия, расходуемая на искажение кристаллической решётки и идущая на внутренние микроструктурные преобразования, при УЗУ значительно выше, чем при0Ш;
7 - температура места контакта инструмента с деталью в зоне деформирования 100-1500С, что в 3-5 раз меньше, чем при ОШ, а время нагрева при УЗУ очень мало (3 х 10-5 сек), поэтому не наблюдается снижения упрочнения, вызываемого действием высокой температуры;
8 - в процессе УЗУ вследствие относительно больших напряжений и многократного приложения нагрузки напряжённо-деформированное состояние специфично.
Множественное скольжение дополнительно тормозит дислокацию. Плотность дислокаций намного больше, чем при ОШ. В результате степень наклёпа повышается в 1,2-1,5 раза и соответственно увеличивается уровень остаточных сжимающих напряжений. Применение УЗУ может быть эффективно в следующих случаях:
1 - для деталей термически и химико-термически обработанных сталей У10А, У12, Х40, ШХ 15, сталей аустенитной структуры 12Х18Н9Т и др., где применение других методов не позволяет получить значительный упрочняющий эффект;
2 - для деталей и инструментов из твердых сплавов;
3 - для деталей малой и неравномерной жёсткости, так же УЗУ характеризуется небольшой статической силой и временем деформирования.
К параметрам режима относится: статическая сила , амплитуда колебаний инструмента, радиус его округления , частота колебаний , эффективная масса инструмента , продольная подача , число рабочих ходов , скорость обработки детали .
Проведённые сравнительные исследования качества поверхностного слоя наплавленных деталей (коленчатые валы) после шлифования без ультразвука и выглаживания с УЗУ на рациональных режимах показали, что наибольший эффект получен на деталях после УЗУ. При этом твёрдость увеличилась до 30 % , толщина упрочнения составляет 0,6-0,8 мм, микротвердость увеличилась до 50 %, шероховатость уменьшилась с 1,63 до 0,2 мкм и образуется особый микрорегулярный ячеистый рельеф на поверхности .
Преимущества УЗУ
Важным преимуществом УЗУ является также образование в поверхностном слое наплавленных деталей остаточных напряжений сжатия значительной силы Уменьшение разброса твёрдости на поверхности наплавленного металла свидетельствует об образовании более однородной структуры .
Рациональным по качественным и эксплуатационным показателям наплавленных деталей является такой режим, при котором двойная амплитуда УЗК равняется 30...50 мкм, статическое усилие прижима инструмента и детали 400...600 Н, скорость вращения детали 0,33.. 0,99 м/с и продольная подача инструмента 0,120,15 м/об.
Сравнительные лабораторные испытания на износостойкость наплавленных и упрочнённых ультразвуковым выглаживающим инструментом образцов, вырезанных из натуральных шеек коленчатых валов, показали их меньший износ по сравнению с не упрочнённым, примерно в 7 раз, а по сравнению с образцами не наплавленными (контрольными) из стали 45, закалённой ТВЧ, примерно в 4,7 раза.
Стендовые и эксплуатационные испытания коленчатых валов двигателя ЗИЛ-130 восстановленных наплавкой и упрочненных ультразвуковым инструментом, показали, что поломок их по причине усталости не обнаружено, а износостойкость оказалась в 2,2 раза выше по сравнению с не упрочнёнными ( на 63 % выше износостойкости новых валов).
