От качества обработки во многом зависят важнейшие показатели механизмов – работоспособность, надежность, металлоемкость, себестоимость и другие технические и технико-экономические характеристики.

      Работоспособность деталей машин зависит от изготовления входящих деталей и состояния их поверхностного слоя, последние направленно формируются на финишных операциях технологического процесса их изготовления [1].

      Поверхность и поверхностный слой детали с точки зрения прочности являются ослабленными. Основной причиной этого является то, что атомы на поверхности имеют устойчивые связи только с соседними и нижележащими атомами, и их состояние является неуравновешенным, неустойчивым.

      Разработан ряд методов, позволяющих улучшить состояние поверхностного слоя, в частности большое распространение, получили методы поверхностного пластического деформирования (ППД). ППД - это обработка деталей давлением (без снятия стружки), при которой пластически деформируется только их поверхностный слой. ППД осуществляется инструментом, деформирующие элементы которого (шарики, ролики или тела иной конфигурации) взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью по схемам качения, скольже¬ния или внедрения.

      При ППД в результате деформационного упрочнения поверхност¬ного слоя, возникновения в нем сжимающих остаточных напряжений, сглаживания неровностей и улучшения их профиля повышается прочность деталей при переменных нагрузках в 1,5-2,5 раза, а долговеч¬ность в 5-10 раз и более.[2]

      Достоинство применения технологии поверхностно пластической деформации с применением ультразвуковых процессов заключается в том, что эта технология позволяет снизить материалоемкость и повысить надежность и долговечность изделий.

      Технологическое оборудование (рис.1) независимо от физико-механических свойств материалов, которые являются непосредственными объектами интенсивного воздействия ультразвуковых колебаний, состоит из следующих узлов: источника питания 1, преобразователя частоты электрического тока 2, системы управления 3, акустической системы 4, (механической колебательной системы).

      Важнейшим узлом, составляющим основу оборудования является акустическая система, которая служит для:

      Акустическая система состоит из преобразователей - магнитострикционного (МСП) или пьезоэлектрического (ПЭП) - и волноводных звеньев, кратных распространяющимся полуволнам. МСП (или ПЭП) трансформируют электрические колебания в механические за счет пьезоэлектрических и магнитострикционных эффектов. Суть их заключается в том, что некоторые материалы (например, никель, пермендюр, ферриты, пьезокерамика и т. п.) при воздействии электричества меняют свои размеры. Теория этих явлений сложна, разработана недостаточно, расчетные формулы для определения, например, геометрических размеров МСП позволяют получать приближенные значения.

      Из уравнения (3) получена формула для определения усилия герметизации, обеспечивающего заданную утечку Q [1], из которой следует, что усилия герметизации так же, как и утечка, наряду с геометрией уплотнения и физико-механическими свойствами его материала зависят от параметров состояния поверхностного слоя контактирующих поверхностей. Следовательно, рациональный выбор методов их окончательной обработки для одних и тех же конструктивных и геометрических параметров уплотнений обеспечивает возможность управления требуемыми усилиями герметизации и повышения герметичности.

      Волноводные звенья, являясь составной частью механической колебательной системы, позволяют согласовывать сопротивления системы с нагрузкой, менять исходную амплитуду колебаний, концентрировать энергию ультразвука в технологической зоне и т. п. Практическое применение нашли следующие типы волноводов: ступенчатый, конический и экспоненциальный.

      Основными материалами для изготовления волноводов могут служить стали 40Х, 45, 30ХГСА и др., которые обладают достаточной упругостью, хорошо паяются твердыми припоями, обладают минимальными потерями и т. п. В последнее время успешно начали применяться титановые сплавы.

      Конечным элементом акустической системы является излучатель ультразвука (УЗ). Это важнейший элемент подачи энергии в зону обработки металла. Его форма и материал предопределяют эффект обработки поверхности металла.

      Варианты конструкций излучателей могут быть самыми разнообразными в зависимости от его назначения. Например, для обработки галтелей могут быть использованы "рога". Излучатели могут профилироваться для обработки пазов, канавок, отверстий и т. п. Известен вариант конструктивной формы излучателя со сквозной шпилькой, которая может вворачиваться до необходимого уровня относительно боковых излучателей. При модификации излучателей должны соблюдаться акустические нормы - резонанс, энергетика процесса, тщательное сопряжение плоскостей и т. п.

      Большое значение имеет материал излучателя УЗ, т. е. его контактного пятна с поверхностью детали. Технология поверхностно-пластической деформации с применением ультразвуковых процессов в подавляющем большинстве случаев не требует применения алмазов, но общим требованием является термодинамическая устойчивость излучателя относительно свойств обрабатываемых металлов, так как любое "помутнение" поверхности излучателя УЗ мгновенно может привести к снижению качества обработки - снижению шероховатости поверхности.

      Производительность процесса обработки поверхностно-пластической деформацией с применением ультразвуковых процессов находится на уровне чистового точения металла.

      Основными параметрами для ее расчета является следующее:

      Таким образом практическое применение универсального оборудования для поверхностно-пластической деформации с использованием ультразвуковых процессов дает немалый экономический эффект. Технология поверхностно пластической деформации с применением ультразвуковых процессов обработки, позволяет упростить и удешевить весь процесс металлообработки.

      С помощью такого оборудования можно обрабатывать большинство известных марок стали, алюминия, меди и других металлов. Обрабатываются различные конструктивные формы деталей: цилиндрические наружные и внутренние поверхности, торцевые, конические и шаровые поверхности, различные выступы, прямоугольные и радиусные канавки и т.д.

      Сообщение ультразвуковых колебаний инструментам является эффективным средством воздействия па тепловой режим процесса обработки. Изменяя амплитуду колебаний инстру¬мента, можно в определенных пределах управлять тепловым режимом процесса обработки материалов и создавать наиболее благоприятные условия работы инструмента и формирования поверхностного слоя детали.[3]

1. Зайцев А.М. Обеспечение надежной работы деталей авиационных двигателей. – М.: Транспорт, 1971. – 196 с.

2. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием.- М.: Машиностроение, 2002.-300 с.

3. Марков Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов.- М.: Машиностроение 1968.-352 с.

4. Патент RU 2291033 С1. Устройство для ультразвуковой обработки поверхностей деталей / Ю.В. Холопов (Россия). № 2005124573/02. Заявл. 02.08.2005. Опубл. 10.01.2007 Бюл. № 1.