Ультразвуковая обработка материалов. Устройство, виды, свойства

1. Физические свойства и особенности распространения ультразвука

Ультразвуковыми называются упругие колебания материальной среды с частотой, превышающий предел слышимости (15–20 кГц). Ультразвуковые колебания могут распространяться в любых упругих средах: жидких, твёрдых, газообразных. Различают три вида ультразвуковых волн – продольные, поперечные и поверхностные. В твёрдых телах могут распространяться волны всех трёх видов, в жидких и газообразных – только продольные волны разрежения – сжатия.

Ультразвук в газах, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твердые тела представляют собой хорошие проводники, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука в 1000 раз меньше чем в воздухе.

Малая длина ультразвуковых волн является основанием для того, чтобы рассматривать их распространение методами геометрической акустики. Физически это приводит к лучевой картине распространения. Отсюда вытекают такие свойства ультразвука, как возможность геометрического отражения и преломления, а так же фокусировка звука.

Следующая важная особенность ультразвука – возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики.

Важной особенностью ультразвука является возможность концентрации энергии при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов. Так, распространению ультразвуковых волн в газах и жидкостях сопутствует движение среды, которое называется акустическим течением.

К числу важных явлений акустического течения относится кавитация, заключающаяся в росте в ультразвуковом поле пузырьков из имеющихся субмикроскопических зародышей газа или пара в жидкости, которые начинают пульсировать с частотой ультразвука и захлопываются в положительной фазе давления. При захлопывании пузырьков газа возникают большие давления, порядка тысяч атмосфер и образуются сферические ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков возникают акустические микропотоки.

Ультразвуковые явления в кавитационном поле используются при получении эмульсий, аэрации жидкостей, очистке поверхностей от загрязнений, обезжиривании и травлении, ультразвуковом диспергировании, акустическом эмульгировании и т. д.

Основными параметрами ультразвуковых колебаний являются:

  • длина волны λ – расстояние между двумя смежными точками, находящимися в одной фазе;
  • амплитуда колебаний А – наибольшее смещение колеблющейся точки от положения равновесия;
  • частота колебаний f – количество колебаний в единицу времени;
  • период колебаний T – время распространения волнового движения на расстояние, равное длине волны;
  • средняя скорость колебательных движений V;
  • скорость распространения звуковых волн С.

2. Принцип действия установок для генерации ультразвуковых колебаний

Ультразвуковые установки, используемые для размерной обработки материалов (рис. 1) содержат:

  • генератор электрических колебаний;
  • акустический преобразователь;
  • ультразвуковую колебательную систему, систему подачи и отвода охлаждающей жидкости и суспензии с абразивом.

установка для ультразвуковой размерной обработки

Рисунок 1 – Схема установки для ультразвуковой размерной обработки (а) и схемы концентраторов: экспоненциального (б), конического (в) и ступенчатого (г): 1 – генератор; 2 – акустический преобразователь; 3-ультразвуковая колебательная система; 4 – система подачи охлаждающей жидкости и суспензии с абразивом

Ультразвуковые генераторы предназначены для преобразования электрического тока промышленной частоты (50 Гц) в ток высокой частоты.

Акустический преобразователь предназначен для преобразования электрических высокочастотных колебаний в механические. Для целей размерной обработки преимущественно применяются магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи.

В магнитострикционных преобразователях используется эффект продольной магнитострикции, заключающийся в изменении длины сердечника из ферромагнитного материала, помещенного в магнитное поле. Простейший магнитострикционный преобразователь представляет собой сердечник, выполненный в виде стержня или рамки с обмоткой возбуждения. При прохождении по обмотке переменного электрического тока в сердечнике наводится переменное магнитное поле, и возникают упругие деформации, вызывающие продольные колебания сердечника.

Для уменьшения потерь на токи Фуко металлические сердечники набирают из штампованных тонких пластин или наматывают из тонкой ленты. Магнитострикционные преобразователи выполняются с водяным охлаждением. Их максимальный электроакустический КПД в диапазоне частот 20…30 кГц составляет 50…70 %. С повышением частоты колебаний его значение уменьшается.

Магнитострикционные преобразователи изготавливают также из ферритов. Потери на вихревые токи у них практически отсутствуют. Поэтому сердечники из ферритов выполняют монолитными. Для их подмагничивания используют пластины ферритовых постоянных магнитов, которые вставляют или вклеивают в магнитопровод преобразователя. Электроакустический КПД ферритовых преобразователей достигает 80…85 %. Они не требуют высокого напряжения питания, принудительного водяного охлаждения.

В пьезоэлектрических преобразователях используется пьезоэлектрический эффект, сущность которого состоит в том, что в кристаллах с определённым типом решёток под действием электрического тока возникают внутренние напряжения, пропорциональные напряженности электрического поля. В результате размеры кристалла изменяются в соответствии с изменением электрического тока.

Все пьезоэлектрические материалы подразделяются на естественные и искусственные. Естественные – это кварц, сегнетовая соль, турмалин; искусственные – керамики титаната бария ЦТС-19 и титаната свинца ЦТС-23.

Преобразователи из кварца дорогие, а их размеры ограничены. Пьезокерамика значительно дешевле и требует меньших возбуждающих напряжений.

Колебательная система предназначена для передачи возникающих в преобразователе колебаний к рабочим узлам установки и в конечном итоге к обрабатываемой поверхности. В состав колебательной системы входят: волновод, концентратор, инструмент.

Волновод – это стержень или труба постоянного сечения, соединяющая акустический преобразователь с концентратором.

Концентратор предназначен для увеличения амплитуды механических колебаний инструмента путём обеспечения резонанса частот вибратора (магнитострикционного или пьезоэлектрического) с исполнительным инструментом. Основные формы концентраторов представлены на рисунке 1 б, в, г.

3. Физическая сущность ультразвуковой обработки

Ультразвуковая обработка основана на ударном воздействии торца инструмента на вершины наиболее крупных абразивных зёрен. Этот метод состоит из двух основных процессов:

  • ударного вдавливания абразивных зёрен, вызывающего появление трещин и отделение небольших частиц хрупкого материала;
  • циркуляции и смены абразива в рабочей зоне.

Происходит хрупкое разрушение обрабатываемых материалов и одновременно вязкое разрушение инструмента.

При ударе торца инструмента по абразивным зернам вершины зерен вдавливаются в поверхностные слои детали и инструмента (рис. 2 а). Внедрение частиц абразива в инструмент приводит только к пластическим деформациям, и в поверхностном слое обрабатываемой детали возникает сетка напряжений (рис. 2 б). Под влиянием напряжений, создаваемых последующими ударами торца инструмента, происходит расширение микротрещин и образование новых. Возникает зона разрушения от деления частиц в тот момент, когда максимальные касательные напряжения в зоне вдавливания превосходят сопротивление сдвигу. Несущая абразив вода расширяет микротрещины, облегчает образование сколов, доставляет новый абразив в зону обработки, а также охлаждает инструмент и деталь.

процессы резания и разрушения при ультразвуковой обработке

Рисунок 2 – Схемы процессов резания (а) и разрушения (б) при ультразвуковой обработке: 1 – деталь; 2 – инструмент; 3 – суспензия с абразивом

Количественной оценкой целесообразности ультразвуковой обработки материала является критерий хрупкости

где – εp сопротивление материалов сдвигу; σp– сопротивление на отрыв. Наиболее эффективно обрабатываются материалы первой группы (табл. 11), у которых коэффициент хрупкости tx ≥ 2. Мягкие материалы: медь, свинец, стали и др., у которых коэффициент хрупкости tx < 1 ультразвуковой обработке не подлежат.

Таблица 1 – Области применения ультразвуковой обработки

Группа

материала

Материал Критерий

хрупкости

Вид

деформации

Характер

разрушения

Область

применения

I Стекло, ситалл, кварц, керамика, феррит, германий, агат и др. tx ≥ 2 Упругая Хрупкий Изготовление деталей из керамики, стекла, кварца, ферритов, минералов.

Обработка полупроводниковых материалов

II Вольфрам и его сплавы, твёрдые сплавы, закаленные на высокую твердость, цементирова нные стали, титановые сплавы   1 < tx < 2 Упругопластическая Хрупкий после упрочнения в результате микропластических деформаций Изготовление фильер штампов, высадочных матриц, деталей сложной формы из вольфрама и твёрдых сплавов
III Медь, свинец, мягкие стали и др. tx < 1 Пластическая Разрушение практически не наблюдается Ультразвуковой метод нецелесообразен

Все технологические характеристики – производительность процесса, качество поверхности, точность обработки, износ инструмента — зависят от многих технологических и акустических параметров, физико-механических свойств обрабатываемого материала, зернистости абразива, кинематической схемы станка, площади поверхности инструмента, силы прижима, глубины обработки.

Главное движение при размерной ультразвуковой обработке – колебания инструмента. Средняя скорость главного движения

Подача может быть продольной, поперечной, круговой. В зависимости от вида подач, а так же формы поперечного сечения инструмента, можно реализовать различные кинематические схемы ультразвуковой размерной обработки (рис. 3).

ультразвуковая и размерная обработка заготовок

Рисунок 3 – Основные схемы выполнения технологических операций ультразвуковой и размерной обработки заготовок: а – прорезание пазов; б – вырезание дисков; в – обработка заготовок сложного фасонного контура; г — точение; д – плоское шлифование торцом круга; е – внутреннее планетарное шлифование; ж – прорезание паза и разрезание вращающимся дисковым инструментом; з – разрезание многолезвийным ленточным инструментом; и – разрезание дисковым излучателем; к – нарезание наружной резьбы гребёнкой; л, м – нарезание внутренней резьбы; н – обработка эллиптического отверстия

Анализ схем показывает, что наложение ультразвуковых колебаний (УЗК) осуществляется на инструмент вдоль оси (рис. 3 а, б, г, к), либо на заготовку (рис. 3 е, ж), либо одновременно на инструмент и заготовку (рис. 3 в, д, з, н). Очевидно, наложение УЗК возможно при использовании специального технологического оборудования, оснащенного мощной ультразвуковой (УЗ) аппаратурой для наложения УЗК на шпиндель станка, либо коренной его модернизацией.

В зонах контактного взаимодействия формообразующего инструмента с заготовкой, как правило, всегда находится СОЖ, воздействие УЗК на которую вызывает кавитацию. Использование кавитации СОЖ возможно при шлифовании, сверлении, развёртывании, зенкеровании, а так же при обработке различных поверхностей заготовок другими методами с применением СОЖ.

Эффект воздействия УЗК на инструмент или заготовку в процессе резания может проявиться в следующем:

  • периодическом изменении величины и направления вектора действительной скорости резания;
  • периодическом изменении углов инструмента, толщины срезаемого слоя;
  • изменении характера приложения нагрузкизона, стружкообразования и режущий инструмент вместо статической испытывают знакопеременную динамическую нагрузку;
  • изменении формирования поверхностного слоя детали в процессе обработки заготовки;
  • улучшении условий проникновения СОЖ в зону резания;
  • изменении контактных взаимодействий на рабочей поверхности режущих инструментов, приводящих к уменьшению деформаций в зоне стружкообразования и сил резания.

Наибольшее применение размерная ультразвуковая обработка получила при изготовлении деталей из стекла, кварца, флюорита, феррита и других металлокерамических материалов, а так же полупроводниковых материалов (германия, кремния) (табл. 2).

Таблица 2 – Технологические характеристики ультразвуковой обработки различных материалов

Обрабатываемый

материал

Производительность S,

мм/мин

Относительный

износ

инструмента q,

%

Шероховатость Ra,

мкм

Точность

обработки,

мм

Стекло,

ситалл

5-20 0,5-1 1,25-5 0,02-0,1
Керамика

22ХС, ЦМ332

2-6 2-10 0,63-2,5 0,05-0,1
Твёрдые

сплавы ВК

0,05-0,3 40-100 0,32-2,5 0,02-0,05
Германий, кремний,

феррит

3-8 1-2 0,63-1,25 0,03-0,10
Закалённая

сталь

0,05-0,1 120-200 0,32-2,5 0,03-0,10
Жаропрочные

сплавы

0,02-0,03 150-200 0,63-2,5 0,08-0,10

Причинами, ограничивающими применение ультразвуковой обработки деталей из хрупких материалов, являются сравнительно небольшие глубина, площадь обработки, большой износ инструмента.

Поэтому этот метод наиболее целесообразен при изготовлении неглубоких отверстий сложной формы. Глубокие отверстия подвергают ультразвуковой обработке специальным алмазным инструментом без подвода СОЖ.

4. Ультразвуковая сварка

При ультразвуковой сварке соединяемые поверхности прижимаются с небольшим давлением Pст и подвергаются сдвигу с ультразвуковой частотой одна относительно другой (рис. 4). В результате действия сдвиговых деформаций в микрообъёмах зоны контакта происходит пластическая деформация, дробление хрупких окисных плёнок на трущихся поверхностях и образование общих кристаллов, прочно соединяющих свариваемые изделия.

Схема ультразвуковой сварки

Рисунок 4 – Схема ультразвуковой сварки: 1 – преобразователь; 2 – концентратор; 3 – инструмент; 4 – соединяемые изделия; 5 – траверса; 6 – наконечник; 7 – опора

Для соединения пластмасс с металлами, а также сварки изделий из жестких пластмасс нашли применение схемы с продольнокрутильными или крутильными колебаниями (рис. 5). Статическое давление Pст приложено нормально к поверхности соединяемых материалов, а динамическое F имеет две составляющих, одна из которых F’ совпадает с вектором Pст, а другая составляющая F» является тангенциальной (рис. 5 а, б).

Схемы устройств для реализации продольно-крутильных колебаний представлены на рисунке 1. 31 в, г. В магнитострикционном преобразователе 1 на боковой поверхности излучателя по винтовой линии выполнены окна. В них размещена обмотка возбуждения (рис. 5в). В процессе работы таких устройств создаются как крутильные, так и продольные колебания. Достоинством этих устройств являются малые габариты при высоком коэффициенте полезного действия преобразователя.

Возбуждение крутильно-продольных колебаний возможно при использовании конструкции, в которой вращающий момент возникает благодаря присоединению инструмента со спиральной нарезкой (рис. 5 г). Особенностью такого устройства является его универсальность. При снятии инструмента с нарезкой в свариваемом изделии возбуждается только нормальные колебания.

Для повышения мощности крутильных колебаний могут использоваться два или более преобразователя, соединённых с волноводом (рис. 5 д, е).

В конструкции сварочной головки с крутильными колебаниями (рис. 5 ж) используются оба торца преобразователя. Волновод с загнутыми концами совершает продольные колебания. Оба торца преобразователя соединяют с волноводом-инструментом, которые совершает крутильные колебания. Статическое давление в этом случае прикладывают в центральной точке волновода – инструмента, совершающего крутильные колебания.

Схема ультразвуковой сварки

Рисунок 5 – Схемы: сварки (а), действия сил (б) и конструкций (в–ж) с продольно-крутильными и крутильными колебаниями волновода: 1 – преобразователь с обмоткой; 2, 3, 4 – волноводы

Ультразвуком можно сваривать почти все металлы и сплавы, применяющиеся в промышленности. Лучше всего свариваются пластичные металлы с близкими значениями предела прочности. Предпочтительно ультразвуковую сварку применять для соединения металлов, обладающих низким электрическим сопротивлением и высоким коэффициентом теплопроводности, сварка которых другими методами затруднена.

С помощью ультразвуковой сварки можно соединять неметаллические материалы, например, различные пластмассы и керамику. Возможна сварка неметаллических материалов с металлами.

Ультразвуком можно сваривать большое количество термопластичных пластмасс. Сварка термопластичных пластмасс происходит в вязко-текучем состоянии при температуре выше температуры размягчения, но ниже температуры разложения, при небольшом статическом давлении. Так как пластмасса обладает малой теплопроводностью, то она достигает вязко-текучего состояния только в тонком поверхностном слое. Поэтому сварка осуществляется за доли секунды. Полимерные материалы свариваются не только при малых толщинах, но и при толщине, превышающей 10 мм.

При помощи ультразвуковых колебаний можно сваривать метилметакрилат, полиэтилен, винипласт, хлорвинил, капрон, нейлон, фторопласт. Ультразвуковой сваркой можно соединять также разнородные пластмассы.

Одним из существенных достоинств ультразвуковой сварки является отсутствие нагрева значительных объёмов до температур плавления и сопутствующих изменений физико-химических свойств. Это позволяет получать сварные соединения со стабильными электро-и теплопроводностью, коррозионным сопротивлением, механическими свойствами. Структура зоны сварки в основном соответствует структуре свариваемого материала. Прочность соединения практически равна прочности основного металла либо превышает её.

Статические усилия при ультразвуковой сварке намного меньше усилий, применяемых при холодной сварке. Вследствие этого деформации образцов незначительны и составляют 5-10 % вместо 60-80

% при холодной сварке давлением. Поэтому с помощью ультразвуковой сварки можно соединять детали весьма малых толщин.

Наряду с достоинствами ультразвуковая сварка имеет ряд недостатков, основными из которых являются следующие:

  1. Затруднительность сварки материалов толщиной более 2,5 мм. При одинаковой толщине свариваемых деталей качественная сварка получается при толщинах не более 2–2,5 мм.
  2. Недостаточно удовлетворительная воспроизводимость показателей прочности соединения при всех одинаковых условиях.

Из экономических соображений ультразвуковую сварку применяют для соединения лишь определённых металлов. Целесообразность применения ультразвуковой сварки связана прежде всего с прочностными характеристиками получаемых соединений. Например, ультразвуковая сварка меди обеспечивает прочность соединения в 2 раза выше по сравнению с электроконтактной, при этом затраты энергии в 10 раз меньше.

Сваривают металлы толщиной, не более (мм): алюминий – 3, медь – 2, сталь – 1,3, латунь – 1. Металлы молибден, кобальт, тантал, вольфрам, бериллий толщиной 0,5–0,75 мм могут свариваться лишь в определённых условиях.

Хрупкие и тугоплавкие металлы, такие как бериллиевая бронза, твёрдая электролитическая медь, пружинная сталь некоторых марок, свариваются с трудом.

Большое место ультразвуковая сварка занимает в радиоэлектронике (ультразвуковая микросварка). Она имеет ряд

преимуществ по сравнению с другими видами сварки при изготовлении полупроводниковых приборов и микросхем. Ультразвуковая микросварка позволяет получать соединения однородных и разнородных материалов, применяющихся в микроэлектронике. Ультразвуковая сварка применяется для соединения проволочных (диаметр 10 мкм) и ленточных (толщина 70–100 мкм) выводов из золота, алюминия и других металлов в самых различных полупроводниковых приборах и интегральных схемах.

Ультразвуковая микросварка используется в электровакуумной и электротехнической промышленности. Большую группу соединений составляют различные электрические выводы к изделиям, соединения медных деталей, контактов, реле, коллекторов.

5. Применение ультразвука при электродуговой наплавке

При электродуговой наплавке поверхностей металлов важным элементом процесса является каплеперенос расплавленного электродного металла. Эффективность каплепереноса электродного металла и производительность наплавки заметно повышаются при придании плавящемуся электроду поперечных колебательных движений. Поперечные колебания электрода способствуют изменению формы и структуры наплавленного слоя металла.

Известно, что при электродуговой наплавке металл наплавленного слоя состоит из столбчатых кристаллов – дендритов, расположенных перпендикулярно к линии оплавления основного металла. При этом аустенитные зерна основного металла по линии оплавления являются основой для растущих дендритов, из-за чего число и размеры последних определяются величиной и количеством этих зёрен. Поэтому чем крупнее зёрна основного металла на участке перегрева зоны термического влияния, тем больше в структуре наплавленного слоя будут иметь место столбчатые кристаллы.

Уменьшая длину слоя жидкого металла за счёт поперечных колебаний, можно сократить пребывание электрода в зоне перегрева. Это уменьшает величину зерна основного металла в зоне оплавления, а следовательно способствует формированию мелкозернистой структуры наплавленного металла. Известно, что четкая ориентация дендритов способствует повышенной хрупкости наплавленного металла, тогда как ультразвуковые колебания способствуют созданию прочной дезориентированной структуры наплавленного слоя.

Схема технологической установки для наплавки с ультразвуком легирующей металлопорошковой присадкой в среде защитного газа представлена на рисунке 6.

установка для наплавки с ультразвуком и металлопорошковой присадкой

Рисунок 6 – Схема технологической установки для наплавки с ультразвуком и металлопорошковой присадкой: 1 – устройство для передачи ультразвуковых колебаний на электрод; 2 – волновод-концентратор; 3 – электродная проволока; 4 – корпус наплавочной головки; 5 – токовод; 6 – устройство для подачи газопорошковой смеси; 7 – наплавляемая поверхность

Установка работает следующим образом. Устройство 1 передает от генератора через волновод-концентратор 2 продольные ультразвуковые колебании тоководу 5, установленному в наплавочной головке. В направляющей трубке токовода 5 возбуждаются поперечные колебания, которые передаются наплавочной проволоке 3. Колебания электродной проволоки вызывают диспергирование капель расплава электрода на мелкие частицы, которые получив колебательные движения, попадают в сварочную ванну и, став дополнительными центрами кристаллизации, способствуют образованию однородной структуры.

Сравнительный анализ полученных структур показывает, что зернистость, плотность и качество слоя, наплавленного с применением ультразвуковых колебаний значительно больше, чем слоя, наплавленного без ультразвука. Причем при наплавке с ультразвуковыми колебаниями практически отсутствует граница раздела слоев: покрытие-основа, что характеризует их высокую сцепляемость и плавный градиент свойств. Ультразвуковые колебания активно способствуют процессам зарождения и образования кристаллов, препятствуют их росту и повышают однородность структуры.

При введении в расплав легирующего порошка, частицы которого под воздействием ультразвука находятся во взвешенном состоянии, смачиваются расплавом и, равномерно распределяясь в его объёме, становятся дополнительными центрами кристаллизации, а при затвердевании эта металлосуспензия фиксируется, образуя при кристаллизации композиционный сплав с разнообразными свойствами: антифрикционными, абразивными, износостойкими, коррозионностойкими и другими. При этом достигается увеличение производительности процесса электродуговой наплавки и повышение износостойкости наплавленного слоя в 1,5–1,7 раза.

Наплавленный слой получается качественным, без металлургических дефектов и с более высокой твёрдостью. Такой способ наплавки позволяет снизить градиент температуры по сечению наплавляемого слоя и повысить скорость кристаллизации, что понижает остаточные напряжения как в наплавленном слое, так и в зоне сцепления покрытия с основой.

6. Штамповка с применением ультразвука

Холодная штамповка с наложением ультразвука позволяет осуществить все виды формоизменений: осадку, выдавливание, листовую штамповку.

Сравнительный анализ изменения удельной деформирующей силы при объёмной штамповке в обычных условиях и с наложением ультразвука на пластически деформируемый металл свидетельствует о том, что в последнем случае деформирующая сила значительно снижается.

Например, при осадке с истечением в полость при наложении ультразвука удельная сила деформирования снижается в среднем в 4 раза для алюминия, для меди – в 3 раза и стали – в 2 раза.

Применение ультразвука в процессе безоблойной объёмной формовки снижает удельную силу для меди в среднем в 4,5 раза, причем величина абсолютного снижения удельной силы (табл. 3) возрастает с увеличением степени деформации.

Таблица 3 – Значения деформирующей удельной силы при безоблойной объёмной штамповке меди

Степень

деформации, %

Удельная деформирующая

сила штамповки, МПа

Абсолютное снижение

удельной

деформирующей

силы

( Δp = p1 — p2 ), МПа

Относительное

снижение

деформирующей

удельной

силы

в обычных

условиях (p1)

с наложением

УЗК (p2)

p1/p2 (Δp / p1 ) 100, %
1 105 30 75 3,50 71,6
10 160 32 128 6,00 80,0
15 205 35 170 5,85 83,0
20 240 40 200 6,00 83,3
25 275 52 223 5,30 81,1
30 310 64 246 4,85 79,4
35 355 87 268 4,08 75,5
40 875 240 635 3,64 72,5

Основными причинами снижения удельной силы трения при штамповке с наложением ультразвука являются уменьшение сил контактного трения и особенно – напряжений текучести деформируемого металла.

Применение ультразвука при глубокой вытяжке стаканов диаметром 6,4 мм обеспечивает значительное (в 2–3 раза) снижение деформирующей силы, при этом высота стаканчика увеличивается вдвое.

При вытяжке цилиндрических стаканчиков диаметром 14 мм из стали и меди, когда ультразвуковые колебания подводили к матрице, снижение деформирующей силы вытяжки составило для стали 15-20 %, а для меди – 40 %. При наложении ультразвука на пуансон снижение деформирующей силы, необходимой для вытяжки стаканчика из стали, составило 12-14 %.

Таким образом, в зависимости от способа подведения ультразвука к очагу деформации ультразвуковые колебания могут в большей или меньшей степени интенсифицировать процесс пластического течения металла.

7. Совмещенная ультразвуковая и электропластическая обработка

В основе электропластической обработки лежит эффект, возникающий при определённых условиях во всех случаях обработки металлов давлением. Такими условиями являются напряжения деформации выше предела текучести при дополнительном воздействии непосредственно на зону деформации импульсами электрического тока.

Длительность импульсов тока не должна превышать (1,5-2,5)106 сек, а плотность тока должна быть не менее (105-106)А/см2. При этом скорость деформации должна быть меньше или соизмерима со скоростью дрейфа Ve свободных электронов

где j – плотность тока в зоне деформации, А/см2 e – заряд электрона, Кул.; n – концентрация свободных электронов, см-3.

Электропластический эффект проявляется при различных видах силового нагружения под действием импульса тока в процессах обработки давлением электропроводящих материалов. В результате эффекта происходит резкое (на десятки процентов) снижение усилий деформации, а также повышение в 1,5 раза допустимых единичных обжатий. При этом отпадает необходимость в операциях промежуточных отжигов.

Общим для всех способов электропластической обработки металлов является подведение тока большой плотности непосредственно в зону деформации металла и минимизация области действия тока размерами зоны деформации.

Ограничением применения электропластического эффекта являются размеры поперечного сечения заготовок, так как пропускание тока плотностью 105 … 106 А/см2 через большие заготовки нерентабельно из-за дороговизны и громоздкости источника тока. Электропластическую деформацию целесообразно применять при сечениях заготовки не более 100 мм2 .

Целесообразно электропластическую деформацию использовать для интенсификации процессов штамповки, волочения, плющения.

Электропластический эффект успешно применяется для интенсификации процессов листовой штамповки металлов при изготовлении деталей летательных аппаратов. При оптимальном электроимпульсном воздействии без снижения пластических свойств повышается статическая прочность материала изделия, предел выносливости и ресурс циклического нагружения. Так, повышение статической прочности на 10-15 % имело место при обработке сталей 12Х18Н10Т, 30ХГСА; возрастание предела выносливости на 25-35 % при обработке титанового сплава ВТ-8; повышение циклической прочности на 700-800 % при обработке титанового сплава ОТ4.

Электроимпульсное воздействие позволяет увеличивать ресурс деталей летательных аппаратов, работающих в неблагоприятных атмосферных условиях за счёт повышения их коррозионной стойкости. Например, время до начала коррозионного растрескивания образцов из сплава Д16Т возрастает в три раза, а скорость коррозии сплава АМr3М снижается на порядок.

В результате электроимпульсной штамповки происходит в 3-4 раза снижение величины остаточных напряжений и, как следствие, устраняется упругое пружинение.

Большой практический интерес представляет электропластическое волочение вольфрамовой и стальной проволоки, которое по сравнению с обычным волочением имеет ряд преимуществ:

  • увеличивается в 1,5 производительность;
  • уменьшается сопротивление волочению на 25-30 %, а остаточная пластичность увеличивается на 20-30 %;
  • отпадает необходимость в проведении промежуточных отжигов;
  • уменьшается обрывность проволоки.

Особенно эффективно использование электропластического эффекта в сочетании с другими способами плющения в приборостроении. На рисунке 7 представлена схема ультразвуковой установки для обработки трудно обрабатываемых материалов способом электропластической деформации.

Схема ультразвуковой электропластической установки для плющения металлов

Рисунок 7 Схема ультразвуковой электропластической установки для плющения металлов1, 8 – приёмно-сдаточный и укладочный механизмы; 2, 7 – соответственно исходная проволока, 4- сплющенная лента; 3 – генератор ультразвуковых колебаний; 4, 5 – преобразователь и концентратор ультразвуковых колебаний; 6 – генератор импульсного тока; 9 – токоподводящие ролики;10 – наковальня; 11 – опорные ролики

Плющение проволоки производится между концентратором ультразвуковых колебаний 5 и наковальней 10. Одновременно в зону деформации через токоподводящие ролики 9 от генератора 6 поступают импульсы тока. Частота ультразвуковых колебаний составляет 18–20 КГц, амплитуда колебаний 20–60 мкм. Плющение проволоки одними ультразвуковыми колебаниями приводила к нарушению её целостности

(расслоение, расщепление). Обработка проволоки ультразвуком в сочетании с действием импульсного тока обеспечивала получение ленты высокого качества поверхности и боковых кромок. Амплитудная плотность тока составляла  (1,1 — 4,5 )102 A/мм2 . Формирование ленты осуществлялось без защитной атмосферы. За один проход получали единичные обжатия 88–90 %, а толщина ленты достигала микронных размеров.

В настоящее время на основе электропластического эффекта разрабатываются различные варианты эффективных энергосберегающих технологий. Создаётся новое оборудование, проектируются специальные генераторы импульсов тока низкого напряжения, системы контактов, не вызывающие электроэрозию инструмента и заготовок, модернизируется под электропластическую деформацию существующие металлообрабатывающие оборудование.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *