Если при обработке статическими методами ППД (обкатывание шаром или роликом, алмазное выглаживание, поверхностное дорнование) инструменту сообщают дополнительно ультразвуковые колебания с частотой 18-24 кГц и амплитудой 15-30 мкм, то они становятся ударными методами (ультразвуковое обкатывание, ультразвуковое выглаживание и т.д.) (рис. 1)

Рисунок 1. Характер взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью в направлении подачи и скорости.

(Р - ударная сила; Р_ст - статическая сила; А – амлитуда смещения рабочей части инструмента; r - радиус сферы рабочей части инструмента; S – продольная подача; S ₁ – относительная подача за один период колебаний; S ₂ – продольная подача за один период колебаний; v – окружная скорость заготовки; v₁ - колебательная скорость рабочей части инструмента, D – диаметр обрабатываемой детали)

Используют также ультразвуковую обработку, когда загружаемым рабочим телам, помещенным в замкнутом объеме вместе с обрабатываемой деталью, сообщают ультразвуковые колебания, под воздействием которых происходит упрочнение обрабатываемой поверхности. Процесс напоминает виброударную обработку. (рис. 2)

Рисунок 2. Схема устройства для ультразвукового упрочнения стальными шариками.

(1- обрабатываемая деталь; 2-стол; 3- камера; 4- стальные шарики; 5- магнитострикционный преобразователь; 6- концентратор )

Деталь1 устанавливают в специальную камеру 3, где размещают стальные шарики 4. Ультразвуковое поле создают ультразвуковым преобразователем 5 и концентратором 6. Зазоры между камерой 3 и концентратором 6 выбирают меньшими диаметра шариков4 . В зону обработки периодически впрыскивают небольшое количество жидкости. Оптимальные условия обработки выбирают изменяя интенсивность ультразвукового поля, диаметр и число шариков.

При обычном ультразвуковом упрочнении инструмент 4 (рис. 3) под действием статической и значительной ударной силы, создаваемой колебательной системой (ультразвуковым генератором 1, магнитострикционным преобразователем 2 и концентратором 3 ), пластически деформирует поверхностный слой обрабатываемой детали 5. Статическую силу Р_СТ можно прикладывать с помощью пружины или, например, груза 6, под действием которого всё устройство может свободно перемещаться по направляющим 7 и поджиматься к детали 5.

Рисунок 3. Схема УЗО наружных цилиндрических поверхностей.

(1-ультразвуковой генератор; 2- магнитострикционный преобразователь; 3- концентратор; 4- рабочая часть ультразвукового инструмента; 5- обрабатываемая деталь; 6 – груз; 7- направляющие)

По сравнению с обкатыванием шаром (ОШ) ультразвуковая обработка (УЗО) отличается следующими особенностями и преимуществами:

1. Инструмент пластически деформирует поверхностный слой детали импульсно, с большой интенсивностью колебаний, в результате чего деформирование сопровождается прерывистым и интенсивным трением.

2. Кратность приложения силы при деформировании инструментом поверхности – 400 раз и более (при ОШ 12-20 раз).

3. Статическая сила, действующая на деталь, незначительна.

4. Скорость деформирования – переменная, её максимальное значение 200м/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 обкатывании шаром.

6. Энергия, расходуемая на искажения кристаллической решетки и идущая на внутренние микроструктурные преобразования, при УЗО значительно выше, чем при ОШ.

7. Температура места контакта инструмента с деталью в зоне деформирования 100-150 ˚С, что в 3-5 раз меньше, чем при ОШ. Время нагрева при УЗО очень мало ( с.) и поэтому не наблюдается снижения упрочнения, вызываемого действием высокой температуры.

8. В процессе УЗО вследствие относительно больших напряжений и многократного приложения нагрузки напряженно-деформируемое состояние специфично. Множественное скольжение дополнительно тормозит дислокации. Плотность дислокаций  и дисперсность блоков намного больше, чем при ОШ.  В результате степень наклепа повышается в 1.5-2 раза и соответственно увеличивается уровень остаточных сжимающих напряжений по сравнению с уровнем этих напряжений при ОШ.

Однако упрочнение путем УЗО не нашло достаточно широкого применения вследствие сложности применяемых устройств; необходимости использования ультразвуковых генераторов, которые занимают значительные производственные площади; большого расхода энергии; необходимости создания систем циркуляции охлаждающей воды и т.д. Дополнительный эффект упрочнения, создаваемый благодаря ультразвуковым колебаниям не всегда окупает больших дополнительных затрат.

Применение УЗО по сравнению с ОШ может быть эффективно в следующих случаях:

-для деталей из термически и химико-термически обработанных сталей У10А, У12, Х12, Х40, ШХ15, сталей аустенитной и12Х18Н9Т и мартенситной Х15Н5Д2Т и др., так как применение других методов, например ОШ, не позволяет получить значительный упрочняющий эффект;

-для деталей и инструментов из твердых сплавов вследствие того, что составляющие таких сплавов ( главным образом кобальт) пластически деформируются; при этом улучшаются основные характеристики поверхностного слоя и значительно увеличивается стойкость резцов;

-для деталей малой и неравномерной жесткости, так как УЗО характеризуется небольшой статической силой и временем деформирования.

Примером эффективного применения УЗО может служить упрочнение предварительно шлифованных рабочих поверхностей эвольвентного зуба зубчатых колес из стали 45 (m=1.5мм; z=30). В результате УЗО с оптимальным режимом (Р_ст=5Н, 2А=20мкм; S=0,1 мм/об, i=1 ) Ra уменьшился с 0,4 мкм до 0,1 мкм; микротвердость поверхностного слоя повысилась с НВ 208 до НВ 357 (т.е. на 71 %) и, соответственно, повысился предел контактной выносливости на 10-20%.

<<<<<<Назад