Ультразвуковая упрочняюще-финишная обработка металлов, контроль шероховатости и упрочнения обработанной поверхности.
Палаев А. Г., Потапов А. И., Кимстач А. В.
Северо-Западный государственный заочный технический университет
Создание конкурентоспособной техники в условиях рыночной экономики неразрывно связаны с разработкой принципиально новых, эффективных технологий, основанных на научных подходах к организации процессов формирования качества поверхности изделий.
Новыми наукоемкими технологическими методами обработки являются методы, базирующиеся на использовании фундаментальных наук и явлений – физических, химических, электрических.
Требования к качеству выпускаемых машин и приборов связаны с необходимостью повышения их надёжности, долговечности, которые в значительной степени определяются эксплуатационными свойствами деталей и узлов. Эксплуатационные свойства деталей зависят от качества их сопрягающихся поверхностей и поверхностного слоя, которые определяются геометрическими и физико-механическими свойствами, а также взаимным расположением микронеровностей на сопрягаемых поверхностях.
Шероховатость поверхностей в значительной степени определяет основные эксплуатационные свойства деталей и узлов: износостойкость, сопротивление усталости, надежность посадок, контактную жесткость и теплопроводность стыков сопряженных деталей, коррозионную стойкость, сопротивляемость эрозии при систематическом воздействии влаги и газов, герметичность соединений, отражающую и поглощающую способность поверхностей и др. Характеристики шероховатости поверхности строго нормируются и подвергаются постоянному анализу в технологических исследованиях и контролю в процессе производства. Поэтому актуальным является совершенствование средств и методов их контроля.
Следующей важной характеристикой состояния поверхностного слоя являются остаточные напряжения. Остаточные напряжении оказывают существенное влияние на прочность и долговечность деталей машин и конструкций: остаточные сжимающие напряжения ( - ), возникающие в поверхностном слое, повышают циклическую прочность деталей, т.к. они разгружают поверхностные слой от напряжений, вызванных нагрузками и, наоборот, растягивающие остаточные напряжения (+) уменьшают прочность деталей вследствие повышения напряженности поверхностного слоя. Все эти параметры зависят от технологии обработки деталей и сборки машин.
В настоящее время наибольшее применение имеют финишные процессы многоступенчатого шлифования и полирования деталей. Однако, как все процессы резания, данные отделочные операции вызывают неоднородную пластическую деформацию, а также не устраняют физико-химические неоднородности от предыдущей обработки.
На повышение износостойкости изделий влияют главным образом увеличение микротвердости и сглаженная округлая форма микронеровностей. Благоприятные условия для повышения износостойкости поверхности создаются при поверхностном пластическом деформировании. Поверхностное пластическое деформирование обеспечивает повышение износостойкости, сопротивление усталости, контактной выносливости и других эксплуатационных свойств обрабатываемых деталей. Вместе с тем для традиционных методов упрочняющей технологии, таких как накатывание, раскатывание и даже выглаживание, характерны значительные деформирующие усилия, что ограничивает их применение при обработке маложестких и тонкостенных деталей из-за возникающих геометрических погрешностей. Поэтому, наложение на выглаживатель ультразвуковых колебаний способствует снижению сопротивления пластическому деформированию и сил трения на контактных поверхностях, что в конечном итоге приводит к значительному снижению статических усилий деформирования. Указанные особенности процесса обусловили возникновение нового направления поверхностного пластического деформирования - ультразвуковая упрочняюще-финишная обработка (УЗУФО). Ультразвуковая упрочняюще-финишная обработка обеспечивает получение необходимой микрогеометрии поверхности, заданных свойств поверхностного слоя, создание остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое.
Важным моментом при ультразвуковой упрочняюще-финишной обработке является возможность не только повысить долговечность и надежность работы деталей машин, но и создание энергосберегающих технологий. Решение этих задач представляет большой научный и практический интерес.
Одним из наиболее эффективных методов ППД является Ультразвуковая упрочняюще-финишная обработка металлов (УЗУФО)
В НИЦУТ СЗТУ уже более 20 лет на постоянной основе проводится исследовательская и внедренческая работа в области ультразвуковой обработки металлов. Совершенствуются ранее разработанные и разрабатываются новые технологии ультразвуковой обработки и методы контроля.
Предварительно деталь протачивается на станке нормального класса точности (токарном, строгальном и т.д.), затем на этом - же станке с помощью малогабаритной ультразвуковой приставки проводится УЗУФО
При УЗУФО инструмент (индентор) с большой частотой (22кГц) ударяет по микронеровностям обрабатываемой поверхности, что позволяет получить на поверхности малую шероховатость и упрочнённый слой, Рис. 1.  .

Рис. 1. Схема воздействия ультразвукового инструмента на обрабатываемую поверхность.
При ультразвуковом воздействии в поверхностном слое происходят сложные процессы: наложение знакопеременных нагрузок на статическую нагрузку, локальное поглощение ультразвуковой энергии, что в конечном итоге приводит к изменению течения металла и облегчению  пластического деформирования и как следствие получению малой шероховатости, упрочнённого слоя и сжимающих остаточных напряжений на обрабатываемой поверхности изделия.

( Ra исх 3,2)                              ( Ra узо0,05)

Рис. 2. Фотография образца с исходной шероховатостью и после УЗУФО.

Результаты измерения микротвердости, (максимальное упрочнение).

Измерение твердости

Рис. 3. Образец измерения микротвёрдости

Рис. 4. Схема измерения упрочнённого слоя

Результаты измерения шероховатости (минимальная шероховатость)

Профилограмма шероховатости

а)  исходная шероховатость Ra 3,2

б) шероховатость после УЗУФО Ra 0,05

Рис. 5.  Профилограмма шероховатости поверхности
В процессе экспериментальной работы удалось достигнуть следующих результатов:
-шероховатость поверхности Raисх (3,2) -  Raузо( 0,05),
-повышение микротвёрдости на 50 – 60%
-глубину упрочнения до 0,8 мм,
Как видно из сравнительной картины, Рис. 6.   при усилиях давления инструмента Р = 80(Н) выглаживаются(наклёпываются) только вершины выступающих микронеров­ностей.
Например: для получения шероховатости поверхности Ra 0.4, мы устанавливаем, с помощью разработанного технологического устройства, величину давления 160(Н).
Для получения шероховатости поверхности Ra 0.05, мы устанавливаем, с помощью технологического устройства, величину давления 260(Н).        

Ra 6,3                     Ra 1,6                     Ra 0,8                    Ra 0.4

0 (Н)                      80 (Н)                   120 (Н)                   160 (Н)
----------------------------------------------------------------------------------------------------
Ra 0,25                   Ra 0,13                     Ra 0,05                       Ra 3,2         

200 (Н)                   230 (Н)                 260 (Н)                 330 (Н)

Рис. 6.  Сравнительная картина изменения параметров шероховатости и поверхностной микротвёрдости при различных усилиях давления-Р(Н) индентора на обрабатываемую поверхность.
Устанавливая определённые режимы обработки возможно изготавливать детали с необходимым микрорельефом и физико-механическими свойствами поверхности, соответствующих требованиям условий эксплуатации изделий..
Методом УЗУФО обрабатываются детали различной конструктивной формы: круглые, плоские, наружные, внутренние, торцевые, сферические, конические, галтели, канавки и т. д..
Применение технологии УЗУФО позволяет, во многих случаях, исключить операцию шлифования, полностью исключить ручные доводочные операции абразивными шкурками и пастами, в некоторых случаях исключить термообработку, внутрицеховую транспортировку деталей, экономить электроэнергию производственные площади, улучшить экологию и повысить культуру производства.
Анализ полученных результатов ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов, контроля качества основных параметров состояния поверхностного слоя обработанных изделий показывает, что широкое использование этой технологии позволит осуществить прорыв в интенсификации производственных процессов, в повышении качества и надежности изделий.

Научно-инновационный центр ультразвуковых технологий Северо-западного технического университета разрабатывает, изготавливает и поставляет весь спектр ультразвукового оборудования и технологий:

-комплекты для УЗУФО
-установки для ультразвукового резания (точения)
-ультразвуковые станки для обработки твёрдых, хрупких материалов: камень, стекло,   феррит.
-установки для ультразвуковой прессовой и шовной сварки металлов и пластмасс.
- ультразвуковые ванны для мойки, очистки деталей.

Сведения об авторах

1. Палаев А.Г. – Директор НИЦУТ СЗТУ, (тел. моб. 961 27 42)
2. Потапов А.И. – Зав. Кафедрой ПК и СЭБ СЗТУ
3. Кимстач А.В. – Доцент каф. ОТСП СЗТУ

К статье

Ультразвуковая упрочняюще-финишная обработка металлов, контроль шероховатости и упрочнения обработанной поверхности.
Палаев А. Г., Потапов А. И., Кимстач А. В.
.