3.7.2. Применение ультразвука в технике
Ультразвук применяют в технике для контрольно-измерительных целей (гидролокации, дефектоскопии, измерения толщины трубопроводов и слоя накипи и др.), очистки, сварки, упрочнения восстанавливаемых де- талей, дегазации жидких металлов и повышения их качества, а также для ускорения различных технологических процессов.
Принцип гидролокации сходен с принципом радиолокации и состоит в определении расстояния до тела, находящегося в толще воды, по значе- нию отрезка времени между посылками короткого ультразвукового сигна- ла и приемом эхосигнала, возникающего в результате рассеяния ультра-
166
звука телом. По изменению частоты эхосигнала, обусловленному эффек- том Доплера, можно определить лучевую скорость тела, т.е. проекцию скорости движения тела относительно наблюдателя на соединяющую их прямую.
Ультразвуковая дефектоскопия – это обнаружение внутренних де- фектов (трещин, раковин, неоднородностей структуры) в твердых телах с помощью ультразвука. Она основана на явлении рассеяния ультразвуко- вых волн от поверхности дефектных областей тела. Наибольшее примене- ние нашли теневой и временной способ определения дефектов. Теневой
способ учитывает уменьшение амплитуды волны, прошедшей сквозь де- фект, или ее полное затухание. Временной способ основан на запаздывании импульса, вызванного огибанием дефекта волнами.
Дробящее действие ультразвука используют в различных технологи- ческих процессах: для образования эмульсий и суспензий, снятия пленок оксидов и обезжиривания поверхностей деталей, стерилизации жидкостей, размельчения зерен фотоэмульсии и др. Благодаря большой амплитуде звукового давления, создаваемого мощными ультразвуковыми излучате- лями, в жидкости возникает явление кавитации – в ней непрерывно появ- ляются и исчезают внутренние разрывы сплошности. Исчезновение этих разрывов, имеющих вид мельчайших пузырьков, сопровождается кратко- временным возрастанием давления до десятков МПа. Поэтому ультразвуки разрушают находящиеся в жидкости твердые тела, живые организмы, крупные молекулы и др.
Разрушающее действие кавитации жидкости на поверхность твердо- го тела заметно увеличивается при введении в нее мелких абразивных час- тиц. Это явление используют для ультразвукового шлифования и полиро- вания, а также сверления отверстий различной формы в стекле, керамике, сверхтвердых сплавах и кристаллах.
Ультразвуковые диспергаторы предназначены для:
– очистки и обезжиривания изделий точной механики, оптики, посу- ды, медицинских инструментов, ювелирных изделий и др.;
– диспергирования, эмульгирования, интенсификации растворения и других физико-химических процессов;
– экстрагирования лекарственных веществ из сырья растительного и животного происхождения без его нагрева;
– бактерицидной обработки жидкости и погруженных в нее предметов.
Диспергатор состоит из ультразвукового транзисторного генератора и преобразователя с излучателем из титана. Генераторы имеют систему ав-
167
томатической поднастройки частоты, устройство защиты от короткого за- мыкания и индикатор амплитуды колебаний излучателя. Техническая ха- рактеристика ультразвуковых диспергаторов приведена в табл. 3.15.
Таблица 3.15
Техническая характеристика ультразвуковых диспергаторов
Модели диспергаторов
Параметры
УЗД1-0,1/22 УЗД1-0,4/22 УЗД1-1,0/22 УЗД1-1,6/22
Потребляемая мощность, ВА
120 850 2000 3200
Напряжение сети, В
220
Частота сети, Гц
50
Рабочая частота, кГц
22
Объем озвучивания, л
0,5 3,0 5,0 8,0
Цена, у.е.
239 495 693 980
Ультразвуковые ванны УЗВ предназначены для быстрой и эффек- тивной очистки изделий (хирургического инструмента, часовых механиз- мов, ювелирных изделий и др.). Они могут быть использованы для обра- ботки химических и биохимических веществ, предпосевной обработки се- мян. Техническая характеристика ванн и других моечных устройств при- ведена в табл. 3.16.
Таблица 3.16
Техническая характеристика и цена ультразвуковых ванн и устройств
Модель
Габаритные размеры ра- бочего пространства, мм
Потребляемая мощ- ность кВА / таймер
Объем / часто- та, л/кГц
УЗВ1-0,063/22
Ø72
39 0,1/–
0,1/22
УЗВ-100/44 195
12060 0,1/+
1,0/44
УЗВ-103/44 240
120120 0,1/+
3,0/44
УЗВ1-0,16/18 150
150100 0,25/+
3,7/18
УЗВ2-0,16/18 170
210120 0,25/–
5,0/18
УЗВ-110/44 300
240200 0,15/+
10,0/44
УЗВ2-1,6/18 310
180160 1,2/+
10,0/18
УЗВ3-1,6/18 400
400360 3,2/–
35,0/18
УЗВ1-(1,6
2)/18 700
450300 6,4/–
80/18
УЗВ1-(1,6
3)/18 1100
450300 4,8/–
120/18
УЗВ1-(1,6
4)/18 1400
450300 6,4/–
150/18
УЗМ1-4,0/16 500
400400 7,0/–
80/16
УЗМ4-25/16 2000
1000500 36/–
1000/16
Ванна выполнена в виде стакана, дном которого является излучаю- щая накладка пьезокерамического преобразователя. Источник питания ванны – ультразвуковой генератор.
Ультразвуковые станки созданы на базе обрабатывающих устройств
УЗОУ, которые являются источником механических колебаний малой
168
мощности с частотой 22 кГц. Устройство включает транзисторный генера- тор УЗГ13/22 и пьезоэлектрический преобразователь. Генератор состоит из источника питания, усилителя мощности, сетевого фильтра и платы авто- регулирования. Станки предназначены для размерной обработки твердых и хрупких материалов (стекла, керамики, ферритов, природных и искусст- венных камней и др.).
С помощью станков возможно маркирование изделий (нанесение меток цифр и букв), получение сквозных и глухих отверстий с сечением любой конфигурации, а также объемных художественных изображений.
Техническая характеристика оборудования для этих целей приведена в табл. 3.17.
Таблица 3.17
Техническая характеристика и цена ультразвуковых станков
Модель
Мощность, кВА
Максимальная обрабаты- ваемая поверхность, мм
2
Цена (без НДС), у.е.
УЗОС1-0,1/22 0,2 20 235
УЗОС2-0,1/22 0,15 100 420
УЗОС1-0,4/22 0,8 700 780
УЗОС1-1,0/22 2,0 1200 980
УЗОС1-1,6/22 3,2 2000 1500
Область применения:
– электронная и электротехническая промышленность, например, при изготовлении керамических подложек полупроводниковых приборов, магнитопроводов из ферритов;
– ювелирная промышленность, например, при изготовлении бус, элементов шкатулок, подсвечников, брошей, кулонов и др.;
– местные ремесла, например, при изготовлении деталей зеркал, де- талей из стекла и хрусталя (подвесок люстр и др.), элементов покрытий листовым стеклом;
– химическая и медицинская промышленность, например, при изго- товлении стеклянной и химической посуды.
Ультразвуковая сварка металлов предназначена для точечной сварки тонких деталей с деталями любой толщины, выполненными из однородных или разнородных материалов, шовной сварки черных и цветных металлов.
Нашла применение в автомобильной, авиационной, электронной, электро- технической промышленности, например, при изготовлении полупроводни- ковых приборов, алюминиевых электролитических конденсаторов, транс- форматоров, дросселей, радиаторов, различной тары, игрушек (табл. 3.18).
169
Таблица 3.18
Свариваемость металлов и сплавов между собой
Металлы и сплавы
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 1
Алюминий
+ + + +
+
+ + + + + + + +
2
Белиллий
+
+
3
Латунь
+
+ + + + +
+
4
Медь
+
+ + + +
+
5
Медно- никелевый сплав
+
6
Германий
+
+
7
Золото
+
+
+
+
8
Свинец
+
9
Магний
+
+
10
Молибден
+
+
+ +
+ +
11
Никель
+
+
+ +
+
12
Ниобий
+
13
Палладий
+
+
14
Платина
+
+
15
Серебро
+
+ +
+
16 Коррозионно- стойкая сталь
+ +
17
Сталь
+
+ +
18
Тантал
+
+
19
Олово
+
20
Титан
+
21
Вольфрам
+
Ультразвуковая сварка относится к процессам, в которых использу- ют давление, нагрев и взаимное трение свариваемых поверхностей. Силы трения
возникают в результате действия на заготовки, сжатые осевой си- лой
Р, механических колебаний с ультразвуковой частотой. Для получения механических колебаний высокой частоты используют магнитострикцион- ный эффект, основанный на изменении размеров некоторых материалов под действием переменного магнитного поля. Изменения размеров магни- тострикционных материалов очень незначительны, поэтому для увеличе- ния амплитуды и концентрации энергии колебаний и для передачи меха- нических колебаний к месту сварки используют волноводы, в большинстве случаев сужающейся формы.
При ультразвуковой сварке (рис. 3.16) свариваемые заготовки 5 раз- мещают на опоре 6. Наконечник 4 рабочего инструмента 3 соединен с маг- нитострикционным преобразователем 1 через трансформатор 2 продоль- ных упругих колебаний, представляющих собой вместе с рабочим инстру- ментом волновод. Нормальная сжимающая сила
Р создается моментом
М в узле колебаний.
В результате ультразвуковых колебаний в тонких слоях контакти- рующих поверхностей создаются сдвиговые деформации, разрушающие поверхностные пленки.
170
Тонкие поверхностные слои металла нагреваются, металл в этих слоях немного размягчается и под действием сжимающего усилия пласти- чески деформируется. При сбли- жении поверхностей на расстоя- ние действия межатомных сил между ними возникает прочная связь. Сравнительно небольшое тепловое воздействие на свари- ваемые материалы обеспечивает минимальное изменение их струк- туры, механических и других свойств. Например, при сварке меди температура в зоне контакта не превышает 600 о
С, а при сварке алюминия – 200…300 °С. Это особенно важно при сварке химически активных металлов.
Ультразвуковой сваркой можно получать точечные и шовные соеди- нения внахлестку, а также соединения по замкнутому контуру. При сварке по контуру, например, по кольцу, в волновод вставляют конический штифт, имеющий форму трубки. При равно- мерном поджатии заготовок к свариваемому штифту получают герметичное соединение по всему контуру (рис. 3.17). Ультразвуковой сваркой можно сваривать заготовки толщи- ной до 1 мм и ультратонкие заготовки тол- щиной до 0,001 мм, а также приваривать тон- кие листы и фольгу к заготовкам неограни- ченной толщины. Снижение требований к качеству свариваемых поверхностей позво- ляет сваривать плакированные и оксидиро- ванные поверхности и металлические изде- лия, покрытые различными изоляционными пленками. Этим способом можно сваривать металлы в однородных и разнородных соче- таниях, например, алюминий с медью, медь со сталью и др.
Оборудование для ультразвуковой сварки полимерных материалов
предназначено для сварки деталей из жестких пластмасс, рулонных синте-
Рис. 3.17. Ультразвуковая сварка по контуру: 1 – волно- вод; 2 – сменный полый штифт;
3 – сменный прижимной штифт; 4 – прижимная опора;
5 – свариваемое изделие
Рис. 3.16. Схема ультразвуковой сварки
171
тических нетканых материалов, пленок, запрессовки металлических изде- лий в термопластические материалы, развальцовки заклепок из термопла- стических материалов, тиснение узоров на элементах одежды, обуви, вы- резки изделий из синтетических материалов, интенсификации процессов полимеризации клеев. В отличие от сварки металлов к пластмассовым за- готовкам подводят поперечные ультразвуковые колебания.
Преимущества процесса по сравнению с традиционной сваркой по- лимеров:
– возможность соединять детали из твердых материалов на расстоя- нии от места контакта деталей и сварочного наконечника;
– возможность отказаться от вредных для человека органических растворителей;
– исключение расхода клеев и ниток, используемых для
соединения деталей традиционными способами;
– повышение производительности труда.
Выпускают сварочные машины мощностью 0,1; 0,4; 1,0; 1,6; 2,5 и 4,0 кВт.
Сущность
ультразвуковой обработки при упрочнении деталей заклю- чается в воздействии на упрочняемую поверхность стальным или твердо- сплавным шаром, прижатым к ней и вибрирующем с частотой 20 кГц.
Ультразвуковой инструмент многократно пластически деформирует по- верхность незначительной статической силой в условиях трения скольже- ния. Среднее давление, создаваемое в поверхностном слое детали, в 3...9 раз меньше, чем при обкатывании шариком, но большая доля энергии за- трачивается непосредственно на искажение кристаллической решетки.
Ультразвуковая обработка по сравнению с другими способами пластиче- ского деформирования дает наибольшее изменение свойств поверхностно- го слоя: улучшение шероховатости с
Rz 20...6,3 мкм до
Rz 0,8...0,4 мкм и формирование остаточных напряжений сжатия до 1100...1200 МПа.
Ультразвуковая
обработка расплавов уменьшает количество раство- ренных газов, уменьшает размер зерна и снижает внутренние напряжения в отливке.
Ультразвуки
ускоряют протекание процессов диффузии, растворе- ния и химических реакций. Влияние ультразвука на ход химических реак- ций главным образом обусловлено тем, что при кавитации в жидкости об- разуются свободные ионы. Ультразвук используют для газоочистки, так как он вызывает коагуляцию содержащихся в газах мельчайших твердых частиц и капелек жидкости.
172
Вопросы для самоконтроля
1. Изложите принцип работы пьезо- и магнитострикторов. 2. Каковы основные свойства ультразвуков? 3. Приведите области применения ультразвуковой обработки в технике. 4. Как устроено оборудование для ультразвуковой очистки заготовок?
3.8. Пластическое деформирование материала
3.8.1. Общие сведения о деформировании материала
Пластичность – это свойство твердых тел изменять свою форму и раз- меры без разрушения под действием внешних сил и сохранять их в виде оста- точной деформации после снятия приложенной нагрузки. Пластическая де- формация кристаллических тел проявляется в результате смещения атомных слоев по плоскостям скольжения под действием внешних сил. Чем больше плоскостей сдвига образуется в объеме материала, тем более он пластичен, тем при меньших напряжениях происходит деформирование заготовки.
Степень и усилие деформирования материала зависят от его химиче- ского состава и структуры, температуры нагрева, скорости деформирова- ния и схемы главных напряжений.
Наибольшую пластичность имеют чистые металлы. Введение в со- став металла легирующих элементов чаще всего уменьшает его способ- ность к пластическому деформированию. Неоднородность структуры и не- равномерность распределения примесей также приводят к уменьшению пластичности. Чем меньше размер зерна, тем прочнее металл и ниже его пластичность. Размер зерна влияет на пластичность при холодном дефор- мировании и не сказывается при горячем деформировании.
Пластичность материала увеличивается при его нагреве. Различают холодное и горячее деформирование в зависимости от соотношения тем- ператур процесса и рекристаллизации. При холодном деформировании температура обработки меньше температуры рекристаллизации, а при го- рячем деформировании – наоборот.
Нагрев до температуры ковки уменьшает в 10...15 раз сопротивление деформиро- ванию по сравнению с процессом в холодном состоянии. Нагрев заготовок из углероди- стых сталей до 350 о
С не увеличивает, а снижает пластичность, а нагрев свыше 700 о
С приводит к появлению окалины. Поэтому нагрев таких заготовок целесообразен в ука- занном отрезке температур.
Увеличение скорости деформирования приводит к снижению пла- стичности и увеличению сопротивления деформированию. Влияние фак- тора велико в условиях горячего деформирования.
Поле главных напряжений оказывает большое влияние на параметры деформирования. Чем больший объем заготовки нагружен сжимающими
173
напряжениями, тем большую величину деформаций допускает материал без разрушения. Максимальная величина деформации может быть получе- на при всестороннем неравномерном сжатии.
Расчет значений технологических режимов при пластическом де- формировании заготовок, усилий и самих деформаций, а также размеров технологических устройств основан на учете следующих положений:
– пластическая деформация наступает тогда, когда напряжения сдви- га в материале заготовки превышают предел его текучести. Используя это положение, можно определить усилие деформирования;
– пластическая деформация заготовки сопровождается упругой де- формацией, поэтому размеры заготовки в конечный момент нагружения отличаются от размеров после снятия нагрузки. Это положение необходи- мо учитывать при повышенных требованиях к размерам детали;
– объем заготовки до пластического деформирования равен объему ее после снятия нагрузки. Закон постоянства объема позволяет рассчитать величину деформации в нужном направлении;
– если возможно перемещение какой-либо точки деформируемого материала в разных направлениях, то эта точка будет перемещаться в на- правлении наименьшего сопротивления. Это положение позволяет сделать вывод о том, что если ограничить
деформацию заготовки в каких-либо на- правлениях, то она будет деформироваться в том направлении, где нет внешних препятствий.
Область применения пластического деформирования распространя- ется на восстановление геометрических параметров деталей, а также их жесткости, усталостной прочности и износостойкости. Способ обеспечива- ет экономичность и высокое качество восстановления деталей.
3.8.2. Восстановление размеров деталейПластическое деформирование позволяет получить ремонтные заго- товки, которые будут обработаны под номинальные размеры. При этом материал перемещают из неизнашиваемого объема в зону износа. Процесс включает термическую обработку, технологический нагрев (при необхо- димости) и приложение деформирующего усилия.
Термическая обработка перед деформированием представляет собой отжиг или высокий отпуск. В ряде случаев непосредственно перед деформи- рованием заготовку нагревают до температуры ковки. Последнюю операцию не проводят для стальных заготовок с твердостью менее 25...30 HRC, а также для заготовок из цветных металлов.
174
Процессы пластического деформирования материала разделяют на виды в зависимости от соотношения направления внешних сил и деформа- ций и применяемой энергии.
В зависимости от соотношения направлений внешних сил и дефор- маций различают основные способы создания ремонтных заготовок: осад- ку, раздачу, обжатие, вытяжку и вдавливание (рис. 3.18).
Рис. 3.18. Схемы процессов для восстановления размеров деталей: а – осадка;
б – раздача; в – обжатие; г – вытяжка; д – вдавливание
Осадка применяется для увеличения наружного размера сплошных деталей. При осадке действие силы P перпендикулярно направлению де- формации δ. В результате воздействия площадь поперечного сечения заго- товки увеличивается вследствие уменьшения ее высоты. Способ применя- ют при восстановлении пальцев, коротких осей и др. деталей. Для осадки применяют гидравлические прессы. Величину удельного давления p при осадке определяют по формуле
p = σ
т
(1 + d/6h), МПа, (3.16)
где σ
т
– предел текучести материала при температуре его обработки, МПа;
d и h – диаметр и длина заготовки, м.
Для деталей, испытывающих значительные эксплуатационные на- грузки, уменьшение высоты при осадке допускается до 8 %, а для осталь- ных деталей – до 15 %. Область применения осадки – восстановление на- ружной и внутренней поверхностей детали при нежестких требованиях к ее длине.
а) б) в)
г)
д)
175
Муфты синхронизаторов восстанавливают осадкой в подкладном штампе с разъем- ной матрицей с производительностью до 100 заготовок в час. Процесс включает: нагрев заготовок в камерной печи до температуры 960...980 о
С в атмосфере эндогаза; установку двух технологических полуколец, препятствующих деформированию паза; установку соб- ранного изделия на оправку; штамповку на фрикционном прессе; выпрессовывание оправ- ки и снятие полуколец; отжиг; точение кольцевой канавки; протягивание и калибрование эвольвентных шлицев; закругление зубьев; термическую обработку.
Направления действующих сил и деформаций при
раздаче совпадают и направлены изнутри заготовки. Раздачу применяют при восстановлении наружных поверхностей поршневых пальцев, чашек дифференциала, вту- лок и других деталей. Механическую раздачу выполняют сферическими или цилиндрическими прошивками (дорнами). Величину удельного давле- ния при раздаче определяют по формуле
p = 1,15 σ
т ln(
D/d)
, МПа, (3.17)
где
D и
d – наружный и внутренний диаметры заготовки, м.
Раздачу применяют при восстановлении наружных поверхностей по- лых деталей с нежесткими требованиями ко внутренним размерам.
При
обжатии направления действующих сил и деформаций также совпадают, но направлены внутрь заготовки. Способ применяют при вос- становлении внутренней поверхности детали с нежесткими требованиями к наружным размерам.
Обжатием
создают ремонтные заготовки гильз и втулок, например, путем проталкивания их сквозь втулку-инструмент. Диаметр калибрующе- го пояска инструмента принимают из расчета уменьшения внутреннего диаметра на величину износа и припуска на механическую обработку.
Вытяжку применяют для увеличения длины детали за счет умень- шения ее поперечного сечения. По сравнению с осадкой деформации и действующие силы поменялись местами и направлениями. Вытяжкой вос- станавливают, например, размеры толкателей при износе торцовых по- верхностей.
Вытяжку применяют при восстановлении длины сплошной детали с нежесткими требованиями к наружным размерам. Раздача с одновремен- ной вытяжкой наружных поверхностей длинных полых заготовок с неже- сткими требованиями к внутреннему размеру производится специальным деформирующим инструментом.
Вдавливание объединяет в себе признаки осадки и раздачи. В боль- шинстве случаев действующая сила направлена под углом к направлению требуемой деформации. Одновременное протекание осадки и раздачи со- храняет длину детали, что является преимуществом способа.
176
Вдавливание применяют при восстановлении зубьев шестерен, шлицев, шаро- вых пальцев и др. деталей. Процесс ведут при высокой температуре нагрева (сталь –
680...920 о
С) в штампах.
Частным случаем вдавливания является накатка (рис. 3.19). Ее часто применяют для увеличения наружного или уменьшения внутреннего раз- меров деталей за счет вытеснения металла из отдельных участков рабо- чих поверхностей. Накатку приме- няют при восстановлении размеров шеек и отверстий под подшипники, а также при восстановлении подшип- ников, залитых свинцовистой брон- зой. В последнем случае образовав- шиеся лунки заливают баббитом для восстановления несущей способно- сти антифрикционного слоя.
Поверхности накатывают спе- циальным инструментом – зубчатым роликом (накатником) с прямыми или косыми зубьями.
Накатывают детали, которые воспринимают контактные напряжения не более 7 МПа. Заготовки, имеющие твердость HRC < 32, можно накаты- вать в холодном состоянии при обильной подаче индустриального масла.
Подъем гребешков металла после накатки составляет около половины вы- соты зуба накатника, он зависит также от шага накатки (1,2...3,0 мм).
Скорость накатки среднеуглеродистых сталей равна 10...15 м/мин, продольная подача 0,4...0,6 мм/об, угол заострения зуба накатника 60...70
о
. Накатку выполняют так, чтобы гребешки поднятого металла имели в поперечном сечении форму трапеции, а не треугольника. Поверхность после накатывания шлифуют.
Зубчатые профили шестерен и звездочек восстанавливают накаткой на стенде
ОР-6400-01. Рабочий профиль инструмента соответствует профилю и размерам восста- новленных зубьев.
В зависимости от вида энергии, затрачиваемой на пластическое де- формирование, различают механическое, термопластическое, электрогид- равлическое и другие виды воздействий.
Примеры механического деформирования заготовок рассмотрены выше. Деформирующее усилие создают молотами или прессами, заготовку при этом устанавливают в приспособление.
Термопластическое деформирование применяют при восстановле- нии деталей «тел вращения» – гильз цилиндров, поршневых пальцев, поршней и др.
Рис. 3.19. Накатка поверхности
177
Имеется два варианта термопластического обжатия заготовки типа гильзы. Первый вариант состоит в нагреве заготовки, установленной в же- сткий охватывающий цилиндр, и последующем охлаждении. Второй вари- ант заключается в том, что внутри заготовки равномерно перемещают на- гревающе-охлаждающий узел в виде индуктора с жидкостным спрейером.
При этом создают квазистационарное тепловое поле в материале гильзы и значительный осевой температурный градиент. Последний формирует внутренние напряжения, под действием которых происходит равномерное пластическое обжатие заготовки. Длительность процесса 5...6 мин. Вели- чина обжатия составляет 0,9...1,0 мм.
Сущность термопластической раздачи заключается в том, что заго- товку нагревают снаружи до температуры выше
Аc3
и охлаждают изнутри потоком жидкости. Внутренние кольцевые слои материала, охлаждаясь, стремятся уменьшиться в диаметре, но им препятствуют нагретые наруж- ные слои, поэтому внутренние слои пластически растягиваются и увеличи- ваются в диаметре по сравнению с первоначальным размером в холодном состоянии. При дальнейшем охлаждении внутренние слои утрачивают пластичность и превращаются в жесткую «оправку», которая препятствует уменьшению диаметров наружных слоев.
Процесс протекает с одновременной закалкой материала. Приращение диаметра поршневых пальцев дизельных двигателей составляет 0,1...0,3 мм. Рассмотренный способ позволяет 4...6-кратное восстановление деталей. Однако способ недостаточно применим к деталям карбюраторных двигателей. Малая толщина стенок этих деталей (4...5 мм по сравнению с 8...10 мм у дизелей) не дает большого приращения диаметра.
Электрогидравлическая раздача поршневых пальцев карбюраторных двигателей основана на эффекте Л.А. Юткина (авторское свидетельство
СССР № 105011). Сущность эффекта заключается в инициировании в жид- кости, заполняющей внутреннюю полость заготовки,
электрического раз- ряда, создающего высокое гидравлическое давление, которое, в свою оче- редь, вызывает пластическое деформирование материала заготовки и обес- печивает припуск на абразивную обработку.
Устройство для электрогидравлической раздачи приведено на рис. 3.20. Техно- логическая жидкость, заполняющая внутреннюю полость заготовки, – вода. Напряже- ние разряда контура 37 кВ, емкость батареи конденсаторов 6 мкф. Взрывной патрон изготовлен из полиэтилена марки ПЭВ-500, а инициирующий проводник – из алюми- ниевой проволоки диаметром 0,7 мм. При указанных режимах раздачи наблюдается увеличение диаметра поршневых пальцев, выполненных из стали 15Х, на 0,12 мм, а де- талей из стали 45 – на 0,2 мм.
После деформирования необходима механическая обработка по- верхностей до требуемых размеров. Число ходов при шлифовании заготов- ки поршневого пальца в 1,5…2,0 раза больше, чем при обработке заготов- ки с нанесенным хромовым покрытием.
178
Рис. 3.20. Устройство для электрогидравлической раздачи поршневых пальцев:
1 – источник энергии; 2 – накопитель энергии; 3 – технологический узел; 4 – положи- тельный электрод; 5 – пластмассовый патрон; 6 – проводник; 7 – восстанавливаемая деталь; 8 – отрицательный электрод
3.8.3. Восстановление формы
Форму изогнутой или скрученной детали восстанавливают правкой.
Направление действующей силы при этом противоположно устраняемой деформации и в большинстве случаев перпендикулярно оси детали. Правят валы, шатуны, оси, клапаны, тяги, рычаги, кронштейны и другие детали.
При правке деформируют всю деталь или ее элемент, создают статическую или динамическую нагрузку, процесс ведут без нагрева или с нагревом.
Для холодной правки детали характерны неоднородность деформа- ций по сечению, а, следовательно, и несимметричная эпюра остаточных напряжений. В связи с этим при холодной правке необходимо стремиться к распределению деформаций по всему объему металла. Остаточные напря- жения способствуют возврату деформации. Усилие холодной правки P оп- ределяют по формуле
P = 0,0068 σ
т
d
3
/ l, МН, (3.18)
где d и l – диаметр и длина детали, м.
Для повышения стабильности результата применяют двойную правку с перегибом в обратную сторону и последующим нагревом детали до тем- пературы 400...500 о
С, выдержкой в течение 1 часа и охлаждением в кон-
179
тейнере. Такая термическая обработка восстанавливает до 90 % несущей способности деталей.
Для деталей с большой стрелой прогиба применяют горячую правку.
Перед правкой нагревают всю деталь или ее часть до температуры
600...800 о
С. Такая правка завершается отпуском.
Правку выполняют однократным приложением нагрузки, рассчитан- ной по формуле (3.18), или многократным приложением половинной на- грузки. Последняя технология реализована в оборудовании для правки де- талей итальянской фирмы Galdobini. Оборудование этой фирмы применя- ют, например, на заводах по изготовлению автомобильных двигателей.
Для коленчатых валов, изготовленных из высокопрочного чугуна, применяют поэлементную правку без нагрева в объеме одной шатунной шейки путем создания преимущественно сжимающих напряжений с мед- ленным нарастанием и снятием нагрузки.
Высокое качество обеспечивает правка наклепом. Несоосность шеек валов при этом достигает 0,02 мм, наблюдается стабильность результата во времени и сохранение усталостной прочности. Такой вид правки выпол- няют пневматическим молотком с закругленным бойком путем нанесения ударов по нетрущимся поверхностям детали.
3.8.4. Упрочнение поверхностей
Многие детали машин при эксплуатации утрачивают износостой- кость, усталостную прочность и жесткость. Восстановить эти свойства можно наклепом поверхностного слоя детали или всего ее объема. Явление заключается в изменении структуры металла, которое вызвано пластиче- ским деформированием. При восстановлении усталостной прочности в по- верхностном слое создают сжимающие остаточные напряжения. Механи- ческое упрочнение рекомендуется и для повышения усталостной прочно- сти деталей, восстановленных с применением наплавки, напыления и на- несения электрохимических покрытий.
Применяют следующие виды механического упрочнения поверхно- стей деталей: обкатывание (раскатывание), чеканку, дробеструйную или центробежную обработку, калибрование, выглаживание и др.
Наибольшее применение получило обкатывание роликами и шари- ками для упрочнения наружных и внутренних поверхностей деталей. В ка- честве оборудования применяют станки, имеющие механическую подачу
(продольную и поперечную). Приспособление устанавливают на суппорте станка. Инструмент (накатник) прижимается к заготовке усилием попереч- ной подачи.
180
Галтели коленчатых валах упрочняют обкатыванием профильными роликами из твердого сплава, которые при работе касаются галтельных переходов детали под действием приложенной силы.
Внутренние
поверхности гильз цилиндров, головок шатунов и дру- гих деталей упрочняют шариковыми или роликовыми раскатниками (рис.
3.21). Эта обработка обеспечивает требуемую точность размеров деталей и необходимую шероховатость. Давление на инструмент в зависимости от материала детали достигает 5...20 МПа, число ходов 2...4.
Рис. 3.21. Устройство для раскатывания отверстий: 1 – вал; 2 – корпус; 3 – ро- лик; 4 – гайка
Обкатывание и раскатывание улучшают шероховатость поверхности на 1...2 класса.
Более эффективным способом упрочнения поверхностей деталей яв- ляется их
чеканка. Наклеп на упрочняемых поверхностях в этом случае создают при помощи бойков, приводимых в движение от вращающегося кулачка. Толщина наклепанного слоя при чеканке в несколько раз больше, чем при обкатывании. Чеканкой упрочняют также сварные швы. Чеканку применяют для упрочнения сложных по форме и труднодоступных кон- центраторов напряжений.
Чеканочный инструмент представляет собой боек с профильным ра- диусом 3...5 мм. Распространены пневматические чеканочные приспособ- ления с молотками МО-10, СМ-3 и РМ-6, работающие при давлении сжа- того воздуха 0,4...0,6 МПа. Энергия удара пневматических инструментов составляет 30...50 Дж, электромеханических – 20 Дж. Чеканочные приспо- собления для обработки деталей – тел вращения устанавливают на токар-
181
ных станках. Для упрочнения сварных швов применяют бойки в виде пуч- ка проволок диаметром 2...3 мм.
При чеканке на обрабатываемой поверхности возникают значитель- ные неровности, соответствующие профилю бойка, поэтому для восста- новления исходной шероховатости детали шлифуют.
Дробеструйную обработку применяют как для повышения жестко- сти упругих элементов (пружин, торсионов, рессорных листов), так и для увеличения усталостной прочности деталей (шатунов, коромысел). В каче- стве оборудования для обработки дробью применяют механические или пневматические дробеметы. В механических устройствах дробь выбрасы- вается со скоростью 60...100 м/с за счет центробежной силы вращения ба- рабана с лопатками. В пневматических устройствах дробь переносится струей сжатого воздуха под давлением 0,4...0,6 МПа. Применяют стальную или чугунную дробь диаметром 0,4...2,0 мм. Время наклепа – 3...10 мин, а его глубина не превышает 1 мм.
Дробеструйная обработка ухудшает шероховатость поверхности на
1...2 класса, на этот параметр оказывают влияние частота вращения ротора, диаметр дроби и продолжительность обработки.
Наклеп ротационным упроч-
нителем выполняют с помощью при- способления (рис. 3.22), установлен- ного на суппорте токарного станка.
Инструментом является диск с ради- альными отверстиями, в которые ус- тановлены шарики с возможностью перемещения вдоль оси отверстий.
Диск получает вращение от электро- двигателя. Линейная скорость обода диска 13...25 м/с. В течение одного оборота диска каждый шарик наносит удар по упрочняемой поверхности.
Этот способ применяют, например, для упрочнения коленчатых и торси- онных валов. Размер детали практически не изменяется, шероховатость по- верхности улучшается на 1...2 класса, твердость увеличивается на 25...45 %
для стали и на 30...60 % для чугуна. Способ отличается высокой произво- дительностью.
Структура и твердость поверхностного слоя в результате механиче- ского упрочнения изменяются в среднем на глубину 0,1...0,7 мм. Структура в этом случае приобретает направленное строение (текстуру), а твердость среднеуглеродистых незакаленных сталей увеличивается на 30...40 %. Тер-
Рис. 3.22. Схема устройства для ротационного упрочнения: 1 – деталь;
2 – шарики; 3 – корпус
1 2 3
182
мически обработанные стали, имеющие твердость HRC 40...45, в процессе наклепа увеличивают ее всего на 5...10 %.
Пластическое деформирование применяют так же, как отделочно- чистовую обработку в виде калибрования отверстий или выглаживания.
Отверстия калибруют перемещением в них с натягом деформирую- щего инструмента с подачей СОЖ.
Сущность выглаживания заключается в упругопластическом дефор- мировании поверхностного слоя детали инструментом с цилиндрической или сферической рабочей частью. В отличие от обкатывания, где имеет место трение качения инструмента по поверхности детали, при выглажи- вании используют трение скольжения.
В качестве материала для выглаживающего инструмента применяют твердые сплавы, минералокерамику и синтетические алмазы. Характер из- менения размера и шероховатости поверхностей с различными покрытия- ми показан на рис. 3.23. Наилучшие результаты показывает инструмент из синтетического алмаза, представляющий собой оправку с алмазным нако- нечником в виде закругленной иглы. Приспособление с инструментом ус- танавливают на суппорте или пиноли задней бабки токарного станка. Вы- глаживают только сплошные поверхности.
Рис. 3.23. Изменение шероховатости R
a
и диаметра ΔD выглаживаемых поверх- ностей под действием силы P: а – вибродуговая наплавка проволокой Нп-65Г; б – виб- родуговая наплавка проволокой Св-08; в – наплавка под слоем плавленого флюса АН-
348А; г – наплавка под слоем керамического флюса АНК-18; д – железнение (HV
5,2…5,6 ГПа); е – железнение (HV 2,9…3,3 ГПа)
183
Поверхность под алмазное выглаживание предварительно шлифуют или раста- чивают. Усилие выглаживания не превышает 300 Н. В зону обработки подают индуст- риальное масло И-20А. Скорость выглаживания для сталей с твердостью HRC 35...67 составляет 200...280 м/мин, а подача – 0,02...0,05 мм/об. Качество выглаживания опре- деляется радиусом рабочей части инструмента, величиной радиального усилия, числом ходов, подачей и скоростью. Рабочая часть иглы выполнена в виде сферы радиусом
0,8...3 мм. Крепление инструмента пружинное. Шероховатость обработанной поверх- ности достигает Ra 0,1...0,05 мкм, микротвердость увеличивается на 50...60 %, глубина наклепанного слоя достигает 400 мкм, в поверхностном слое образуются напряжения сжатия.
Алмазное выглаживание придает восстанавливаемым поверхностям также высокие износостойкость и усталостную прочность. Этот вид обработ- ки рекомендуют для упрочнения наплавленных и электрохимических покры- тий. Усталостная прочность при этом повышается более чем в два раза.
Вопросы для самоконтроля1. В чем суть и преимущества пластического деформирования материала перед другими способами? 2. Какие свойства деталей восстанавливают пластическим дефор- мированием материала? 3. Как восстанавливают форму детали? 4. В чем заключается упрочняющий эффект пластического деформирования материала?
Скачать 3.56 Mb.