WO2007015688A1

WO2007015688A1 - Procede de traitement par vibroimpulsions ultrasonores de la surface de produits longs

Info

Publication number: WO2007015688A1
Application number: PCT/UA2006/000049
Authority: WO
Inventors: Georgij Ivanovich Prokopenko; Aleksandr Fedorovich Lugovskoy; Varlerij Ivanovich Chornyj; Andrey Valerievich Movchanuk; Jakob Isakovich Kleiman; Yuriy Filipovich Kudryavtsev
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-08-01
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2008-02-01
Also published as: UA79670C2

Description

МПК B24 В 39/00, 1/04

Способ ультразвуковой виброударной обработки поверхности длинномерных изделий

Область техники

Изобретение относится к отрасли машиностроения, а именно к финишной обработке длинномерных металлических изделий, и может быть использовано при финишной обработке проволоки, труб и других изделий, получаемых волочением, прокаткой и другими способами.

Предшествующий уровень техники

Поверхностное деформационное упрочнение металлических изделий, как заключительная технологическая операция, значительно увеличивает работоспособность деталей и машин, повышает их качество и срок службы. На сегодняшний день широкое распространение получили методы поверхностной обработки с помощью пластической деформации, такие как обработка шариками и роликами, дробеструйный наклеп, виброобкатка и другие. Значительно повысился в промышленности интерес и к высокоэнергетическим видам обработки поверхности, к которым относится и поверхностное упрочнение с помощью ультразвуковых колебаний. Результаты испытаний и практика эксплуатации показывают, что при обработке изделий из металлических материалов, особенно высокопрочных, ультразвуковой способ является достаточно эффективным и легко поддается автоматизации. Промышленность выпускает большую гамму длинномерных изделий разного профиля и сечения: проволока, корд, трубы, полосы и т.п., которые формируются с использованием давления. Как правило, в поверхностном слое таких изделий образуются растягивающие остаточные макронапряжения, снижающие усталостную прочность и коррозионную стойкость . В связи с этим возникает необходимость в создании новых способов ультразвуковой обработки для упрочнения и перераспределения остаточных напряжений в длинномерных изделиях, волочение и протяжка которых проводится с высокими скоростями движения. Производительность и качество процесса ультразвуковой обработки зависят от выбора схемы нагружения и оптимального режима работы ультразвукового инструмента.

Известен способ ультразвуковой безабразивной обработки (а. с. СССР W 1278182, МПК B24B 1/04, 1986), в котором рабочую поверхность инструмента прижимают к обрабатываемой поверхности и осуществляют их перемещение относительно друг друга, отличающийся тем, что инструменту сообщают изгибные колебания и размещают его под углом β в направлении обработки поверхности, а угол задают в диапазоне 0<β<α, где α - амплитуда изгибных колебаний торца инструмента (в угловых единицах) .

Известный способ имеет низкую производительность из-за использования одного инструмента, который обрабатывает узкую полоску, ограниченную местом контакта. Использование изгибных колебаний, которые легко демпфируются нагрузкой, приводит к существенному уменьшению амплитуды колебаний в процессе обработки . Возбуждение продольных ультразвуковых колебаний (вдоль направления перемещения) приводит к интенсивному износу поверхностного слоя, что снижает его качество.

Известен способ безабразивной ультразвуковой финишной обработки поверхности (патент России P 2127658, МПК B24B 1/04, 1999), в котором процесс обработки поверхности проводят посредством перемещения рабочей поверхности акустического инструмента по всем точкам поверхности сложного профиля обрабатываемого изделия, а деталь вращают в процессе обработки. Акустическая система при этом закреплена с возможностью поворота на угол ±45° относительно оси детали.

Однако данный способ имеет невысокую производительность из-за длительного сканирования поверхности изделия, что также приводит к неравномерности ее обработки. Расположение акустического инструмента под разными углами к поверхности изделия создает условия для интенсивного истирания поверхностного слоя, что ухудшает качество обработки и увеличивает шероховатость .

Наиболее близким к предлагаемому способу по совокупности признаков и техническому результату является способ ультразвуковой безабразивной обработки поверхностей (а. с. СССР EP 1821342, МПК B24B 39/00 1/04, 1993), в котором рабочий инструмент прижимают к поверхности обрабатываемой детали и сообщают им перемещение относительно друг друга, при этом рабочему инструменту сообщают вращательное движение, а силу прижима инструмента к обрабатываемой поверхности подбирают таким образом, чтобы величина углубления рабочего инструмента в поверхность превышала толщину окисной пленки при амплитуде ультразвуковых колебаний 5-10 мкм.

Однако данный способ имеет существенные недостатки, в том числе малую производительность из-за принудительного поворота рабочего инструмента для покрытия всей обрабатываемой поверхности . Углубление рабочего инструмента в поверхность и создание поперечных углублению смещений приводит к интенсивному истиранию поверхностного слоя, что способствует переходу его в продукты износа. Все это увеличивает шероховатость поверхности, приводит к неравномерности микротвердости и глубины обработки и, в конечном счете, к снижению ее качества и производительности.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения поставлена задача разработки способа ультразвуковой виброударной обработки поверхности длинномерных изделий, в котором ультразвуковой преобразователь с рабочими инструментами прижимают с нормированной силой к поверхности изделия и сообщают последнему перемещение относительно этих инструментов, обработку ведут неподвижным набором инструментов, размещенных по линии перемещения изделия, их взаимное расположение определяется профилем длинномерного изделия, а количество - необходимым числом ударов на единицу поверхности при заданной скорости, амплитуду ультразвуковых колебаний и силу прижима подбирают по критерию степени пластической деформации поверхности материала изделия для повышения производительности обработки при заданном ее качестве и стабильности .

Для решения поставленной задачи в способе ультразвуковой виброударной обработки поверхности длинномерных изделий, при котором ультразвуковой преобразователь, связанный с рабочими инструментами, прижимают нормированно к поверхности изделия и сообщают им перемещение относительно друг друга, согласно изобретению обработку ведут набором ультразвуковых преобразователей, размещенных вдоль линии сообщенного изделию перемещения и по его профилю в количестве, необходимом для нанесения на единицу поверхности изделия заданного по технологии количества ударов, амплитуду ультразвуковых колебаний и силу прижима подбирают по критерию заданной степени пластической деформации поверхности изделия, а скорость перемещения V связана с параметрами обработки соотношением:

V < f-L-п, где f - средняя частота колебаний рабочих инструментов; L - размер выходного торца рабочего инструмента вдоль линии перемещения; п - количество рабочих инструментов вдоль одной линии обработки.

Поставленная задача решается также тем, что к поверхности изделия напротив основных рабочих инструментов упруго прижимают дополнительные . Поставленная задача решается также тем, что в зону контакта рабочих инструментов с поверхностью изделия подают смазывающее и охлаждающее тело.

Обработка рабочими инструментами, размещенными в зависимости от профиля длинномерного изделия вдоль линии перемещения по нормали к поверхности и под углом относительно друг друга, позволяет охватить ударной деформацией одновременно всю поверхность изделия, которое двигается с определенной скоростью. Если профиль изделия круглый (пруток, проволока) , то инструменты в предлагаемом способе размещаются под равными углами друг относительно друг друга, чтобы охватить всю поверхность, а если профиль, например, плоский (полоса) , то рабочие инструменты размещаются перпендикулярно поверхности в несколько рядов со смещением между ними на определенный интервал. Упругий прижим рабочих инструментов к торцу ультразвукового преобразователя и изделию создает надежный акустический контакт между изделием и инструментами и тем самым обеспечивает обработку изделия всеми инструментами - основными и дополнительными. Это повышает производительность и качество обработки всей поверхности длинномерного изделия без пропусков, которые могут возникнуть при наличии неровностей поверхности изделия. Как показала экспериментальная проверка, качество ультразвуковой вибрационной обработки повышается при увеличении количества ударов на единицу площади. В то же время при увеличении скорости протяжки эффективность ее снижается. Для того, чтобы при этом повысить производительность процесса, количество ультразвуковых преобразователей (и, соответственно, рабочих инструментов) вдоль одной линии обработки увеличивают . Амплитуду колебаний ультразвукового преобразователя подбирают в зависимости от прочности материала изделия таким образом, чтобы в процессе обработки не происходило существенного формоизменения сечения изделия . Таким образом обработку поверхности проводят последовательно с увеличением количества ударов на единицу площади по мере протяжки длинномерного изделия вдоль нескольких групп ультразвуковых преобразователей с соответствующим набором рабочих инструментов - ударников . Выполнение условия (V < f-L'n) позволяет проводить его обработку равномерно без пропусков по всей длине. Если считать произведение f>L постоянным, то скорость протяжки изделия прямо пропорциональна количеству инструментов вдоль одной линии.

Для некоторых видов обработки, например, для снятия остаточных напряжений в тонкой проволоке, нет необходимости наносить большое количество ударов на единицу площади с пластической деформацией самого материала для создания сжимающих напряжений. В этих видах обработки, как показали эксперименты, достаточно наносить удары с пропусками при скорости перемещения изделия V > f*L'П. Энергия каждого удара при такой обработке возбуждает упругие колебания в самом изделии. Указанные колебания распространяются с определенной скоростью вдоль изделия на большие расстояния, вызывая снижение остаточных напряжений как при обычной виброобработке .

Краткое описание способа

Сущность изобретения объясняется иллюстрациями, где на фиг.l показана кинематическая схема способа; на фиг.2 - кинематическая схема - вид вдоль линии протяжки; на фиг .3 - ультразвуковой преобразователь с рабочим инструментом; на фиг.4 - схема обработки изделия в виде полосы; на фиг.5 - схема размещения ультразвуковых преобразователей; на фиг . б - ультразвуковой преобразователь с основными и дополнительными рабочими инструментами, которые прижаты к поверхности изделия пружиной.

На фиг.l к длинномерному изделию 1, которое движется в одном направлении со скоростью V, прижаты с усилием P ультразвуковые преобразователи, которые собраны в три группы 2. В группе преобразователи размещены вдоль одной из параллельных линий вдоль оси изделия, а каждая группа (3,4,5) расположена под углом α друг относительно друга (фиг.2). Таким образом, каждая группа преобразователей, размещенных в ряд, обрабатывает свой линейный участок изделия .

На фиг .3 показана схема ультразвукового преобразователя, который состоит из составного пьезопреобразователя 6 с трансформатором колебательной скорости (TKC) 7. Рабочий инструмент 8 имеет канавку 9, соответствующую профилю изделия 10, и прижат к нему с общим усилием P. С противоположной стороны изделия расположена опора 11. На фиг .4 представлен случай, когда длинномерное изделие имеет профиль полосы 12. При этом четыре группы 13 ультразвуковых преобразователей через свои рабочие инструменты прижимаются перпендикулярно к поверхности 14, а опора 15 имеет направляющую канавку на плоской поверхности по ширине изделия. Каждая группа 17 содержит несколько рабочих инструментов, размещенных вдоль линии обработки, покрывающих в сумме всю обрабатываемую поверхность 14.

На фиг .5 показан фрагмент поверхности изделия, которое двигается со скоростью V мимо двух групп рабочих инструментов 16, присоединенных к ультразвуковым преобразователям 17 и 18. Каждый инструмент имеет линейный размер L в направлении перемещения . Они находится друг от друга на расстоянии h в пределах одного ультразвукового преобразователя. Ультразвуковые преобразователи 17 и 18 размещены на расстоянии t . На поверхности изделия показаны отпечатки 19 трех инструментов ультразвукового преобразователя 17 и следующие три отпечатка 20 инструментов ультразвукового преобразователя 18.

На фиг.6 показан ультразвуковой преобразователь с присоединенным TKC 7. Здесь изделие в виде проволоки 10 зажато с помощью пружины 21 между основным рабочим инструментом 22 и размещенным напротив дополнительным рабочим инструментом 23. Пружина 21 вторым своим концом упирается в дно стакана 24, который закреплен своими кромками в узловой плоскости акустической системы 25.

Варианты осуществления изобретения Принцип работы и последовательность операций по осуществлению предлагаемого способа можно проиллюстрировать на примере схемы, приведенной на фиг.l. В процессе работы длинномерное изделие 1, например, проволока, протягивается в одном направлении (линейно или возможно винтовое движение) со скоростью V мимо групп закрепленных стационарно ультразвуковых преобразователей 2, установленных под определенным углом друг к другу. Пьезокерамический преобразователь β возбуждает продольные ультразвуковые колебания, которые усиливаются с помощью TKC 7 (фиг.З) . Торец TKC колеблется с частотой 22 кГц и энергия этих колебаний передается за счет ударного взаимодействия рабочим инструментам 8. Энергия ударов этих инструментов расходуется на деформацию поверхности проволоки 1 в районе канавки 9, их упругий отскок и на возбуждение вибраций в проводе. При этом средняя частота виброударного воздействия инструментов на изделие существенно ниже, чем ультразвуковая, и составляет, примерно, 1- 3 кГц. Амплитуда ультразвуковых колебаний выбирается достаточно низкой (~ 5 - 10 мкм) . Одновременно за счет реакции опоры 11 происходит встречная виброударная деформация проволоки в области направляющей канавки .

Так как рабочие инструменты осуществляют колебания только в направлении, перпендикулярном поверхности проволоки, то не происходит снятия и удаления ее тонкого поверхностного слоя. Виброударная обработка по нормали приводит к поверхностному упрочнению _{γ χ}

проволоки, снижению и благоприятному перераспределению остаточных напряжений от растягивающих к сжимающим, а также к снижению шероховатости поверхностного слоя.

Для получения высокого качества и стабильности поверхностного упрочнения необходимо добиться равномерного распределения ударов всех рабочих инструментов как по профилю изделия, так и по его длине. Равномерность обработки по профилю достигается симметричным расположением рабочих инструментов по сечению, чтобы каждый удар отдельного инструмента приходился на необработанный участок поверхности изделия, который следует за обработанным! Если размер выходного конца одного инструмента в направлении перемещения будет L (фиг.5), то при частоте колебаний f скорость перемещения проволоки должна быть V = f'L. Тогда инструмент 16 будет делать отпечатки на поверхности изделия вплотную друг к другу. Для увеличения производительности обработки с повышением скорости протяжки V, к одному торцу TKC 17 прижимают несколько ударных элементов 16, например, три (фиг.5), каждый из которых имеет размер L в направлении перемещения . Инструменты размещены друг от друга на расстоянии h, которое выбирается меньше размера L. При обработке, если допустить идентичность динамических характеристик инструментов, они одновременно будут делать три отпечатка 19, которые находятся на расстояниях h (фиг.5). Это эквивалентно увеличению размера L в три раза (в соответствии с количеством инструментов) , что подтверждает упомянутое выше соотношение V = f*Lтi , где: п - количество инструментов вдоль одной линии обработки.

Если на расстоянии t будет установлен второй идентичный ультразвуковой преобразователь 18 (фиг.5), то его инструменты будут делать аналогичные отпечатки и скорость V может быть увеличена в два раза . Другими словами, каждый инструмент совершает последовательные удары по поверхности изделия, а пластические отпечатки при протяжке проволоки складываются в одну сплошную полосу без пропусков. Если скорость будет больше заданной, то некоторые участки поверхности изделия останутся без отпечатков, если меньше - то обработанные поверхности будут взаимно перекрываться.

Одним из способов снижения остаточных напряжений является так называемая вибрационная обработка. Ударное воздействие рабочих инструментов вызывает возбуждение упругих колебаний в проволоке . Для проведения такой обработки в предлагаемом способе достаточно использовать меньшее количество инструментов при скорости перемещения изделия V > f>L-n. Однако суммарное воздействие поверхностной пластической деформации и виброобработки может привести к более существенному позитивному эффекту. Изменяя амплитуду колебаний ультразвуковых преобразователей, их число, угол наклона относительно друг друга, а также силу прижима P, при заданной скорости протяжки, можно подобрать оптимальный режим обработки для получения необходимого технического результата. При обработке изделия основными и дополнительными рабочими инструментами 22, 23 (фиг.6), размещенными друг против друга, последние могут изменять направление удара из-за случайных поворотов вокруг оси ультразвукового преобразователя, что приводит к нанесению ударов по профилю изделия под разными углами. Штриховыми линиями на фиг .6 показан возможный наклон рабочих поверхностей инструментов во время обработки. В таком случае направляющая канавка в рабочих инструментах 22, 23 может быть значительно большего радиуса, чем половина диаметра изделия 10. По такой схеме можно обрабатывать проволоку различных диаметров .

Так как между проволокой 10, инструментом 8 и опорой 11 (фиг.З) существует небольшая сила трения, то в результате высокоскоростной протяжки в местах контактов будет выделяться некоторое количество тепла. В этой зоне будут также присутствовать частички загрязнений вследствие разрушения окалины или появления продуктов износа. Поэтому для стабилизации теплового режима и удаления продуктов износа дополнительно в зону контакта рабочих инструментов с поверхностью изделия подают смазывающее и охлаждающее тело (жидкость, воздух) .

Пример .

Было реализовано устройство по предложенному способу для обработки стального корда диаметром 0,8 мм в состоянии поставки после холодного волочения. Ультразвуковые преобразователи имели резонансную частоту 22 кГц. Они были установлены в три ряда по 3 штуки под углом 60° друг относительно друга. Каждый ультразвуковой преобразователь содержал по 4 рабочих инструмента и прижимался к изделию с усилием около 10 H. Инструменты имели диаметр 5 мм, скорость протяжки составляла 3 м/с. Такая компоновка устройства обеспечила равномерную обработку поверхности корда с последовательным нарастанием количества ударов на единицу площади при амплитуде колебаний торца TKC ультразвуковых инструментов 10 +_ 1 мкм. При этом степень пластической деформации материала корда отвечала заданной по технологии (порядка 1-2%) . Выбранный режим обработки обеспечил рост предела выносливости корда при усталостных испытаниях на изгиб в среднем на 30% по сравнению с исходным состоянием.

Claims

Формула изобретения

1. Способ ультразвуковой виброударной обработки поверхности длинномерных изделий, при котором ультразвуковой преобразователь, связанный с рабочими инструментами, прижимают нормированно к поверхности изделия и сообщают им перемещение относительно друг друга, отличающийся тем, что обработку ведут набором ультразвуковых преобразователей, размещенных вдоль линии сообщенного изделию перемещения и по его профилю в количестве, необходимом для нанесения на единицу поверхности изделия заданного по технологии количества ударов, амплитуду ультразвуковых колебаний и силу прижима подбирают по критерию заданной степени пластической деформации поверхности изделия, а скорость перемещения V связана с параметрами обработки соотношением:

V < f-L-n, где f - средняя частота колебаний рабочих инструментов; L - размер выходного торца рабочего инструмента вдоль шлиvпл перемещения; п - количество рабочих инструментов вдоль одной линии обработки.

2. Способ по п.l, отличающийся тем, что к поверхности изделия напротив основных рабочих инструментов упруго прижимают дополнительные.

3. Способ по п. п. 1-2, отличающийся тем, что в зону контакта рабочих инструментов с поверхностью изделия подают смазывающее и охлаждающее тело .