REM БУО - Без абразивен шлайф (2)

Page 1

REMTECHSTROY GROUP

REMTECHNOLOGY Bulgaria, Varna 9000 Industrial Zone Str. Studentska 1 TU/UK104

Модернизация, комплексен ремонт и поддръжка на индустриална техника. Инфраструктурно строителство и мениджмънт. Комплексно строителство на железопътна инфраструктура, поддръжка на специализирана механизация и по движен състав. e-mail:web@remtechnology.eu web:www.remtechnology.eu

Fax: +359(52)319990

phone: +359 (52)319980 mobile:+359(888)204989 +359(888)265877 +359 (52)319990

Т Е Х Н О Л О Г И Я – XXI век Без абразивна ултразвуковa обработка /БУО/ на метални повърхности /Oсобенности техники и технологии БУO/ Технологическое оборудование (рис. 1.) независимо от физико-механических свойств материалов, которые являются непосредственными объектами интенсивного воздействия ультразвуковых колебаний, состоит из следующих узлов: источника питания 1, преобразователя частоты электрического тока 2, системы управления 3, акустической системы 4, (механической колебательной системы).

Рис 1. Схема узлов технологического оборудования для БУО: 1 — источник питания, сеть 220 В. 2— преобразователь частоты электрического тока; 3 — система управления; 4— акустическая система; 5— обрабатываемая деталь; 6 — зона обработки поверхности металла.

Современные преобразователи частоты генераторы вполне соответствуют требованиям технологии БУО. Они малогабаритны, достаточно эффективны, мощностью 0,25-1,0 кВт преобразуют электрический ток 50-60 Гц в 22 кГц.


REMTECHSTROY GROUP

REMTECHNOLOGY Bulgaria, Varna 9000 Industrial Zone Str. Studentska 1 TU/UK104

Модернизация, комплексен ремонт и поддръжка на индустриална техника. Инфраструктурно строителство и мениджмънт. Комплексно строителство на железопътна инфраструктура, поддръжка на специализирана механизация и по движен състав. e-mail:web@remtechnology.eu web:www.remtechnology.eu

Fax: +359(52)319990

phone: +359 (52)319980 mobile:+359(888)204989 +359(888)265877 +359 (52)319990

Узлом, составляющим основу и специфику оборудования и технологии БУО, является акустическая система, которая служит для преобразования электрической энергии в механическую; передачи этой энергии в нагрузку; согласования сопротивления нагрузки с внутренним сопротивлением системы; согласования геометрических размеров зоны ввода энергии с размерами излучателя, концентрирования энергии и получения необходимой величины колебательной скорости излучателя.

Система должна работать с максимальным КПД на резонансной частоте независимо от изменения сопротивления нагрузки. Акустическую систему характеризуют следующие величины: - амплитуда колебательной силы Fm; - амплитуда колебательной скорости \/= 2πƒ(ƒ— частота колебаний системы; - сопротивление потерь в системе Rm; - мощность системы Р; КПД системы.

Акустическая система состоит из преобразователей — магнитострикционного (МСП) или пьезоэлектрического (ПЭП) — и волноводных звеньев, кратных распространяющимся полуволнам. МСП (или ПЭП) трансформируют электрические колебания в механические за счет пьезоэлектрических и магнитострикционных эффектов. Суть их заключается в том, что некоторые материалы (например, никель, пермендюр, ферриты, пьезокерамика и т. п.) при воздействии электричества меняют свои размеры. Теория этих явлений сложна, разработана недостаточно, расчетные формулы для определения, например, геометрических размеров МСП позволяют получать приближенные значения. Тем не менее, эффекты преобразования энергии используются с исключительно большой результативностью в различных отраслях науки и техники. Весьма важным обстоятельством является то, что МСП имеют очень большую надежность в работе. Практика показывает возможность их использования более 10 лет. В настоящее время для построения комплектов БУО используются МСП из материалов, которые не содержат дефицитных, дорогостоящих металлов, доступны и обладают хорошими эксплуатационными и технологическими свойствами. Наиболее рациональным материалом для изготовления преобразователя является пермендюр. Они отличается сильно выраженным магнитострикционным эффектом, т. е. позволяет получать весьма значительные мощности при относительно небольших размерах вибратора. Однако, по сравнению с никелем, он обладает недостаточной механической прочностью и антикоррозионной стойкостью.


REMTECHSTROY GROUP

REMTECHNOLOGY Bulgaria, Varna 9000 Industrial Zone Str. Studentska 1 TU/UK104

Модернизация, комплексен ремонт и поддръжка на индустриална техника. Инфраструктурно строителство и мениджмънт. Комплексно строителство на железопътна инфраструктура, поддръжка на специализирана механизация и по движен състав. e-mail:web@remtechnology.eu web:www.remtechnology.eu

Fax: +359(52)319990

phone: +359 (52)319980 mobile:+359(888)204989 +359(888)265877 +359 (52)319990

Головки акустические на сборочном участке, готовые к отправке заказчику. Волноводные звенья, являясь составной частью механической колебательной системы, позволяют согласовывать сопротивления системы с нагрузкой, менять исходную амплитуду колебаний, концентрировать энергию ультразвука в технологической зоне и т. п. Практическое применение нашли следующие типы волноводов: ступенчатый, конический, экспоненциальный. Они разнородны по форме и трансформационным свойствам. Основными материалами для изготовления волноводов могут служить стали 40Х, 45, ЗОХГСА и др., которые обладают достаточной упругостью, хорошо паяются твердыми припоями, обладают минимальными потерями и т. п. В последнее время успешно начали применяться титановые сплавы. Конечным элементом акустической системы является излучатель ультразвука (УЗ). Это важнейший элемент подачи энергии в зону обработки металла. Его форма и материал предопределяют эффект финишной обработки поверхности металла. Одна из наиболее эффективных форм излучателя УЗ имеет вид «усеченной бочки» с характерными радиусами r и r . В направлении подачи радиус «бочки» может быть рассчитан по формуле

где S— величина подачи; К— коэффициент снижения шероховатости от изменения амплитуды колебаний излучателя УЗ; Ra и Ra изл — шероховатости поверхности металла и контактного пятна излучателя. В направлении главного движения (вращения детали) радиус «бочки» может быть также рассчитан:

где F— усилие поджатия излучателя УЗ к поверхности детали. Надо отметить, что это один из первых примеров расчета формы излучателя ультразвука для БУО. Варианты конструкций излучателей могут быть самыми разнообразными в зависимости от его назначения. Например, для обработки галтелей могут быть использованы «рога». Излучатели могут профилироваться для обработки пазов, канавок, отверстий и т. п. Известен вариант конструктивной формы излучателя со сквозной шпилькой, которая может вворачиваться до необходимого уровня относительно боковых излучателей.


REMTECHSTROY GROUP

REMTECHNOLOGY Bulgaria, Varna 9000 Industrial Zone Str. Studentska 1 TU/UK104

Модернизация, комплексен ремонт и поддръжка на индустриална техника. Инфраструктурно строителство и мениджмънт. Комплексно строителство на железопътна инфраструктура, поддръжка на специализирана механизация и по движен състав. e-mail:web@remtechnology.eu web:www.remtechnology.eu

Fax: +359(52)319990

Головки акустические – разные модификации.

phone: +359 (52)319980 mobile:+359(888)204989 +359(888)265877 +359 (52)319990

При модификации излучателей должны соблюдаться акустические нормы — резонанс, энергетика процесса, тщательное сопряжение плоскостей и т. п. Большое значение имеет материал излучателя УЗ, т. е. его контактного пятна с поверхностью детали. Технология БУО в подавляющем большинстве случаев не требует применения алмазов, но общим требованием является термодинамическая устойчивость излучателя относительно свойств обрабатываемых металлов, так как любое «помутнение» поверхности излучателя УЗ мгновенно может привести к снижению качества финишной обработки — снижению класса шероховатости поверхности. Излучатель ультразвука поджимается с определенным давлением к поверхности детали. Вступая во взаимодействие с обрабатываемой деталью, ультразвук пластически деформирует ее поверхность, сглаживает вершины микронеровностей и упрочняет поверхностный слой. Один финишный проход излучателя ультразвука при исходной поверхности Ra, = 6,3 мкм дает поверхность с Ra = 0,1 мкм (10 класс). Этим уникальным методом обрабатывается большинство известных марок стали, алюминий, медь и их сплавы, латунь, бронза, другие цветные металлы и сплавы. БУО позволяет обрабатывать различные конструктивные формы поверхностей (цилиндрические наружные и внутренние, торцовые, конические, шаровые), выступы и радиусные канавки. Использование технологии БУО исключает ручной труд, необходимость применения абразивных материалов; упрощает технологический процесс и исключает применение некоторых типов станков (например, шлифовальных); уменьшает объемы внутрицеховой транспортировки деталей; экономит производственные площади, электроэнергию, трудозатраты; снижает необходимые припуски размеров в технологических операциях и открывает новые перспективы в использовании покрытий поверхностей различного назначения, в том числе и антифрикционных, так как создает идеальную поверхность для пар трения и т.д. 2

3

Схема размещения комплекта на токарном станке.

1

1-акустическая головка; 2-присоединительный кабель; 3- источник питания Мощность, кВт - 0,4…0,6; Напряжение, В - 220. Масса источника питания, кг - 2,5; акустической головки, кг – 4…6.

Перепады в Ra —Ra исх = 5,45 мкм и Ra уз = 0,1 мкм — получены за один проход излучателя ультразвука. Изменение напряженного состояния в металле характеризуется следующими цифрами: Напряжения относительно оси Вдоль оси Поперек оси

Токарная обработка, 2 Н/мм

Обработка БУО н/мм2

+270±10 +260±10

-750±15 -720±20

Это важнейшее обстоятельство — смена знака «+» на знак «-» — надо отметить особо. При обработке поверхности металлов остаточные напряжения становятся сжимающими. Все надрезы, образованные резцом или абразивом, как дефект поверхностной структуры, обминаются.


REMTECHSTROY GROUP

REMTECHNOLOGY Bulgaria, Varna 9000 Industrial Zone Str. Studentska 1 TU/UK104

Модернизация, комплексен ремонт и поддръжка на индустриална техника. Инфраструктурно строителство и мениджмънт. Комплексно строителство на железопътна инфраструктура, поддръжка на специализирана механизация и по движен състав. e-mail:web@remtechnology.eu web:www.remtechnology.eu

Fax: +359(52)319990

phone: +359 (52)319980 mobile:+359(888)204989 +359(888)265877 +359 (52)319990

Типовые профилограммы поверхности металлов с БУО приведены на рис.3.

Рис. 3. Типовые профилограммы поверхности металлов: а — независимый эксперимент, проведенный в Германии (1993 г.); б— независимый эксперимент, проведенный в США (1995г.)

Микротвердость поверхности металла повышается при обработке структур, например, алюминия более чем на 100 %; стали до закалки — на 15-30 %, после закалки на 5-10 %; повышается усталостная прочность детали. С увеличением поверхностной твердости (например, стали) перепад изменения между исходным и конечным значениями ∆HRC снижается (рис. 4.). Повышение класса шероховатости возможно только при условии повышения класса шероховатости исходной поверхности (рис. 5). Анализ рекламных материалов фирм США (рис. 6) показывает, что поверхность на уровне Ra= 0,025 мкм у них получена за счет достаточно хорошей подготовки исходной поверхности, например, с Ra =0,15 мкм. Или Ra = 0,05 мкм при исходной Ra,= 0,35 мкм.


REMTECHSTROY GROUP

REMTECHNOLOGY Bulgaria, Varna 9000 Industrial Zone Str. Studentska 1 TU/UK104

Модернизация, комплексен ремонт и поддръжка на индустриална техника. Инфраструктурно строителство и мениджмънт. Комплексно строителство на железопътна инфраструктура, поддръжка на специализирана механизация и по движен състав. e-mail:web@remtechnology.eu web:www.remtechnology.eu

Fax: +359(52)319990

phone: +359 (52)319980 mobile:+359(888)204989 +359(888)265877 +359 (52)319990

Рис. 5. Зависимость шероховатости поверхности БУО от Ra исх Другими словами, за одну операцию перепад Ra исходной к Ra конечной составляет 6-7 раз.

При условии использования технологии БУО на незакаленных сталях это отношение может составлять 63; на закаленных сталях — до 16-33 раз. Технология БУО позволяет изменять размер детали только в пределах перепада Ra исходного и Ra конечного. При обработке незакаленных сталей исходная величина Ra может быть равна 6,3 мкм, а конечная, после одного прохода по поверхности излучателя ультразвука — 0,1 мкм. При условии обработки закаленных сталей с исходной шероховатостью Ra = 0,4 мкм после одного прохода излучателя УЗ практика дает Ra = 0,025; при исходной шероховатости с Ra= 0,1÷0,2 мкм, Ra ≈0,012 мкм. Производительность процесса БУО находится на уровне чистового точения металла. Основными параметрами для ее расчета является следующее: - длина и ширина излучателя ультразвука в момент удара, т. е. площадь контактного пятна; - принятый минимум ударов для получения поверхностей, соответствующих требованиям по шероховатости и ее твердости; - число оборотов; - величина подачи;


REMTECHSTROY GROUP

REMTECHNOLOGY Bulgaria, Varna 9000 Industrial Zone Str. Studentska 1 TU/UK104

Модернизация, комплексен ремонт и поддръжка на индустриална техника. Инфраструктурно строителство и мениджмънт. Комплексно строителство на железопътна инфраструктура, поддръжка на специализирана механизация и по движен състав. e-mail:web@remtechnology.eu web:www.remtechnology.eu

-

Fax: +359(52)319990

phone: +359 (52)319980 mobile:+359(888)204989 +359(888)265877 +359 (52)319990

свойства обрабатываемого металла; частота ультразвука; мощность акустической системы.

Можно оценить линейную скорость обработки металла следующим образом. Допустим, что пятно контакта излучателя УЗ имеет длину 0,2 мм. Тогда при частоте колебаний 22 кГц получаем возможность обработки при линейной скорости 264 м/мин. Сколько ударов УЗ надо сделать, чтобы получить требуемую величину шероховатости поверхности? Какой задать коэффициент перекрытия точек? Какая площадь контакта может быть оптимальной при обработке стали, латуни, чистого алюминия и т. п. Нетрудно представить, что при увеличении частоты колебаний УЗ до 44-88 кГц линейная скорость обработки может быть увеличена до 528-1056 м/мин. Производительность БУО может быть оценена при подаче 0,05-0,2 мм/об на токарных, строгальных, фрезерных и др. станках. При условии, что производительность финишной обработки металлов является доминирующим показателем, например, при серийном производстве деталей, на станке можно установить дубль-каретку и обрабатывать деталь одновременно с резанием. Как показывает практика использования технологии БУО с равным успехом можно получить шероховатость на уровне Ra = 0,1 мкм при 200, 400, 600 оборотах; подачах 0,05, 0,1 мм/об при амплитудах колебаний излучателя 5-25 мкм. Выбор параметров обработки должен быть произведен с учетом мощности комплекта БУО и особенностей акустических систем. Причем надо иметь в виду, что существуют мнения исследователей, которые сводятся к тому, что при повышении амплитуды смещения излучателя ультразвука возникают трудности с получением высокого класса шероховатости. И, наоборот, при снижении ее до 0,1÷5 мкм можно рассчитывать на более высокий класс шероховатости. И, в то же время, если при выборе оптимальных режимов финишной обработки металлов величина амплитуды смещения может быть отнесена к разряду «некритичных», то выбор контактного давления – F должен быть проведен весьма тщательно. Мощность излучателя УЗ при этом в значительной степени предопределяет возникающие напряжения в поверхностном слое, температуру и возможные структурные изменения металла. Параметры режима обработки зависят и от того, что нужно получить: более высокий класс шероховатости или повышение твердости поверхностного слоя. Для повышения твердости поверхностного слоя - упрочняющей обработки, нужна, как правило, большая мощность колебательной системы и более значительное время обработки. Внешний вид комплекта БУО на токарном станке показан на рис. 7. Головка акустическая размещена в резцедержателе, а источник питания на подставке соединен с ГА шлангом.


REMTECHSTROY GROUP

REMTECHNOLOGY Bulgaria, Varna 9000 Industrial Zone Str. Studentska 1 TU/UK104

Модернизация, комплексен ремонт и поддръжка на индустриална техника. Инфраструктурно строителство и мениджмънт. Комплексно строителство на железопътна инфраструктура, поддръжка на специализирана механизация и по движен състав. e-mail:web@remtechnology.eu web:www.remtechnology.eu

Fax: +359(52)319990

phone: +359 (52)319980 mobile:+359(888)204989 +359(888)265877 +359 (52)319990

Комплект БУО в работе. Рис. 7. Внешний вид размещения комплекта технологического оборудования на токарном станке. Итак, основные конструктивно-технологические особенности базабразивной ультразвуковой финишной обработки металлов следующие: 1. При воздействии ультразвука происходит пластическая деформация микронеровностей поверхности в пределах изменения Ra от 6,3 до 0,025 мкм. 2. Возрастает твёрдость поверхностного слоя. В зависимости от исходной, на 5…10…50…150%. 3. Повышается усталостная прочность на 10 -20 – 50 – 200%. 4. Увеличивается опорная поверхность. По некоторым данным до 80 - 90%. 5. Технология БУО исключает в принципе необходимость использования абразива в любых его комбинациях – кругов, лент, паст, и т.п. средств, таким образом, исключается, в принципе, шаржирование поверхности металла абразивом. 6. Остаточные напряжения трансформируются в сжимающие. 7. Структура металла – в целом ряде примеров – изменяется; как установлено академиком РАЕН Алехиным В.П., на глубине 15 – 20 мкм от поверхности обработки металла возникают слои наноструктур с размером зерна 5-10 нм. 8. Основные технологические параметры режима передачи энергии УЗ некритичны. 9. Исходная энергетика процесса незначительная и находится на уровне 0,63 кВт. 10. Практическая реализация оборудования и технологии БУО, например, на универсальных токарных, фрезерных, строгальных, шлифовальных и др. переводит их в режим многооперационных; 11. БУО производит обработку деталей, не снимая с центров за одну установку; одновременно чистовое точение детали резцом в заданный размер и финишную обработку поверхности (патенты Центра: №2238839 от 27.10.2004г.; №2252128 от 20.05.2005г. и др.). 12. Надо отметить исключительные возможности БУО: обрабатывать конструкционные, инструментальные, нержавеющие стали, чугуны, цветные металлы, титановые сплавы и т.п. 13. Практика использования техники БУО – показывает, что возможна обработка штоков цилиндров гидро- и пневмоцилиндров, деталей арматуры трубопроводов, фланцев, муфт, дисков


REMTECHSTROY GROUP

REMTECHNOLOGY Bulgaria, Varna 9000 Industrial Zone Str. Studentska 1 TU/UK104

Модернизация, комплексен ремонт и поддръжка на индустриална техника. Инфраструктурно строителство и мениджмънт. Комплексно строителство на железопътна инфраструктура, поддръжка на специализирана механизация и по движен състав. e-mail:web@remtechnology.eu web:www.remtechnology.eu

Fax: +359(52)319990

phone: +359 (52)319980 mobile:+359(888)204989 +359(888)265877 +359 (52)319990

разных размеров и назначений, деталей двигателей, трансмиссий, станков, редукторов, компрессоров, шаровых кранов и т.п. механизмов. 14. Практически во всех отраслях промышленности возможность БУО на станках с ЧПУ доказана на заводах многократно. 15. При обработке незакаленных сталей обработка детали резцом дает 4-5 класс шероховатости. После обработки БУО – за один проход излучателя ультразвука - 10 класс с Ra ~0,1 мкм. 16. Если детали обработаны точением или шлифовкой на 8 класс – БУО дает возможность получить 11-12 класс с Ra ~ 0,05 -0,025 мкм с одновременным упрочнением поверхностной структуры. И т.д. Анализ развития использования технологических процессов показывает, что ранее нами установленные потенциальные возможности БУО неплохо подтверждаются на практике заводов. Мы задавали себе вопрос: например, с рождением технологии БУО всегда ли нужна цементация, азотирование, закалка ТВЧ и т.п. дорогостоящие технологии, инородные по своему существу станочной обработке? В конечном счете, нам нужна деталь, соответствующая требованиям механизма движения и, прежде всего, минимальным потерям в парах трения, износоустойчивостью, минимальным издержкам при ее производстве и т.п.


Issuu converts static files into: digital portfolios, online yearbooks, online catalogs, digital photo albums and more. Sign up and create your flipbook.