О возможностях БУФО

БЕЗАБРАЗИВНАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ФИНИШНАЯ ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ - БУФО

Вызывает немало вопросов у специалистов машиностроения. Суть технологии в следующем:
1. При воздействии ультразвука происходит пластическая деформация микронеровностей поверхности в пределах изменения Ra от 6,3 до 0,025 мкм.
2. Возрастает твердость поверхностного слоя. В зависимости от исходной, на 5…10…50…150%.
3. Повышается усталостная прочность на 10 -20 – 50 – 200%.
4. Увеличивается опорная поверхность. По некоторым данным до 80 - 90%.
5. Технология БУФО исключает в принципе необходимость использования абразива в любых его комбинациях – кругов, лент, паст и т.п. средств, таким образом, исключается, в принципе, шаржирование поверхности металла абразивом.
6. Остаточные напряжения трансформируются в сжимающие.
7. Структура металла – в целом ряде примеров – изменяется; как установлено академиком РАЕН Алехиным В.П., на глубине 15 – 20 мкм от поверхности обработки металла возникают слои наноструктур с размером зерна 5-10 нм.
8. Основные технологические параметры режима передачи энергии УЗ некритичны.
9. Исходная энергетика процесса незначительная и находится на уровне 0,63 кВт.
10. Практическая реализация оборудования и технологии БУФО, например, на универсальных токарных, фрезерных, строгальных, шлифовальных и др. переводит их в режим многооперационных;
11. БУФО производит обработку деталей, не снимая с центров за одну установку; одновременно чистовое точение детали резцом в заданный размер и финишную обработку поверхности (патенты Центра: е2238839 от 27.10.2004г.; е2252128 от 20.05.2005г. и др.).
12. Надо отметить исключительные возможности БУФО: обрабатывать конструкционные, инструментальные, нержавеющие стали, чугуны,   цветные металлы,   титановые сплавы и т.п. Практика использования техники БУФО – показывает, что возможна обработка штоков цилиндров гидро- и пневмоцилиндров, деталей арматуры трубопроводов, фланцев, муфт, дисков разных размеров и назначений, деталей двигателей, трансмиссий, станков, редукторов, компрессоров, шаровых кранов и т.п. механизмов.
13. Практически во всех отраслях промышленности возможность БУФО на станках с ЧПУ доказана на заводах многократно. И, тем более, необходимость!
14. При обработке незакаленных сталей обработка детали резцом дает 4-5 класс шероховатости. После обработки БУФО – за один проход излучателя ультразвука - 10 класс с Ra ~0,1 мкм.
Если детали обработаны точением или шлифовкой на 8 класс – БУФО дает возможность получить 11-12 класс с Ra ~ 0,05 -0,025 мкм с одновременным упрочнением поверхностной структуры.
Анализ развития использования технологических процессов показывает, что ранее нами установленные потенциальные возможности БУФО неплохо подтверждаются на практике заводов. Мы задавали себе вопрос: например, с рождением технологии БУФО всегда ли нужна цементация, азотирование, закалка ТВЧ и т.п. дорогостоящие технологии, инородные по своему существу станочной обработке? В конечном счете, нам нужна деталь, соответствующая требованиям механизма движения и, прежде всего, минимальным потерям в парах трения, износоустойчивостью, минимальным издержкам при ее производстве и т.п.
А что дает практика заводов? Инженеры на арзамасском заводе ОАО «Коммаш» поняли наши рекомендации правильно и обработку коленчатых валов трехплунжерных насосов высокого давления стали производить посредством технологии БУФО.
И завод получил:
Во-первых, технология БУФО позволила исключить производственные расходы по закалке шеек ТВЧ.
Во-вторых, токарный станок позволил «уложиться» в допуски, значит, на заводе не стали планировать шлифовку и серьезно сэкономили: покупать шлифовальный станок не стали!
В-третьих, качество поверхности шеек коленчатых валов существенно повысилось, так как сетка микротрещин, как очаг, снижающий усталостную прочность вала, была деформирована ультразвуком в своем зачатии. Насосы стали не хуже, а лучше.
И, попутно отметим, что комплект БУФО отработал на заводе более 10 лет.
Учитывая изложенные факты,   читатель может сам представить образовавшийся на заводе технико-экономический эффект.
По износоустойчивости пар трения, коренному вопросу машин и мезханизмов, на сегодня, по нашим данным, дело обстоит так:
- при использовании технологии БУФО мы можем гарантировать удвоение их моторесурса;
- при использовании технологии БУФО+Гео – в 4-5 раз;
- при использовании технологии БУФО+Гео+ - в 10 раз.
Расшифруем эти обозначения. БУФО можно признать базовой технологией Гео. В основе технологии Гео лежит идея использования геоминералов-серпентинитов. Серпентиниты еще совсем недавно, лет 20-25 назад, лежали в отвалах шахт, как пустая и никому не нужная порода.   Вместе с тем они - серпентиниты – с весьма сложным комплексом   соединений Mg, Si, O, Fe, Al, T, K, Na и др. давно привлекали внимание ученых. Например, исследования академика РАЕН Зуева В.Н. привели его к   3 открыти- ям (!).
Успешное использование геоминералов для решения проблем пар трения оказалось весьма значительным. «Свободноплавающие» серпентиниты в масле, например, двигателей, на сотнях примеров, давали увеличения их моторесурса пар трения в 4, - 4,7 раз. Но наиболее ценной оказалась технология их закрепления в структуре поверхностного слоя пар трения ультразвуком. (Патент Центра е 2201997 от 5.04.2001 г.) При этом оказалась возможным эксплуатация ряда устройств со слитым маслом в течение полугода.
На ОАО «Калужском турбинном заводе» нами созданы пары трения насоса забортной воды для охлаждения первичного контура атомного реактора.
Известно, что одним из путей повышения работоспособности, например, пар трения является повышение твердости поверхностной структуры. Значит, как правило, на производстве проводят закалку детали и последующее ее шлифование. Но шлифование разупрочняет поверхностную структуру, и, как сказано выше, остаточные напряжения становятся растягивающими.
В этом случае технологию БУФО необходимо использовать для устранения этих недостатков.
Например, нами обрабатывалась инструментальная сталь после объемной закалки. Ее исходная твердость была на уровне   HRc~ 56 ед.
После шлифования получили значения: HRc~51 ед.

После обработки БУФО твердость составила: HRc   ~ 63 ед.
Таким образом, в парах трения ценность использования БУФО для повышения твердости поверхности металла после шлифовки очевидна.
Для получения более высоких качественных показателей поверхностной структуры металлов нами   использовано и электроискровое легирование.
Что, в принципе, можно отметить при этом?

1. В поверхностных слоях формируются карбиды вольфрама.
2. При этом идет   упрочнение поверхностной структуры металла.
3. Интенсивно идут диффузионные процессы. Это отмечал еще 20 лет назад д.ф.м.н. Кулемин А.В. в своей книге “Ультразвук в металлах”. По его расчетам, при воздействии УЗ их скорость возрастает на 5 порядков.
4. Возможно дробление структур и аморфизация поверхностного слоя.
5.Вольфрамовый электрод является составной частью акустической системы. Он выполняет функции своеобразного ключа, прерывающего перенос металла на поверхность упрочняемой детали, и способствует стабилизации процесса.
Как установлено нами, целесообразность использования БУФО вместе с электроискровым легированием – безусловна. Например, твердость поверхностного слоя при обработке инструментальной стали составила   HRc ~ 65 ед. Но, как известно, максимальный класс шероховатости, который можно при этом получить, находится на уровне 8 кл. Улучшить класс шероховатости может технология БУФО.
Практика показывает, что износоустойчивость пуансонов после обработки БУФО,   увеличивается в 3-4 раза. Коэффициент трения снижается, как правило, в 1,5 - 2 раза.
По последним данным, полученным проф. Алехиным В.П., при использовании БУФО инструментальных сталей, например, 4Х5МФ1С твердость возрастает до 64-68 HRc , а в ряде случаев до 70 ед. Усталостная прочность на базе 106 – 107 циклов возрастает в 2 раза с 650 до 1300 МПа. Такое резкое изменение физико-механических свойств, по его мнению, обусловлено тем, что после БУФО в приповерхностных слоях материала, как уже отмечено, образуется нанодисперстная структура с размером зерен 5 -10 нанометров, о чем свидетельствуют прямые экспериментальные данные.
Фактически, использование мощного ультразвука в финишных операциях и операциях упрочнения поверхностных структур металлов, использование комплексных энергетических составляющих технологических процессов выводит эти технологии на новый качественный уровень, значимость которых сегодня для машиностроения переоценить трудно.