книги из ГПНТБ / Панин, В. В. Применение ультразвука при обработке металлов (обзор)

ки от 10 до 40 кгс шероховатость поверхности уменьшилась на два класса (с 8 до 10). Глубина вдавливания рабочего ин­ струмента при ПГ1Д в зависимости от технологических пара­ метров может быть определена расчетным путем. Такую закономерность установили японские ученые [19], обрабаты­ вая чистую медь и малоуглеродистую сталь.

В табл. .9 представлены данные по чистоте поверхности в зависимости от статической нагрузки. При Рст >200 кг по­

верхность ухудшается, так как снижается амплитуда колеба­ ний.

Штамповка и прессование. При штамповке и прессовании используются колебания низких частот и ультразвука. При наложении УЗ колебаний • металл становится более пластич­ ным. Увеличение частоты колебаний приводит к увеличению степени деформации, а увеличение интенсивности колебаний снижает усилие деформации.

При вытяжке стаканов, в частности, когда штамп является продолжением концентратора, достигается хороший акусти­ ческий контакт, что является важным условием для получе­ ния необходимого эффекта при действии ультразвука.

На усилие деформирования при прессовании большое влияние имеет метод подвода УЗК [2]. В табл. 10 приведены сравнительные данные максимального усилия деформации при прессовании алюминиевых заготовок размером 10X8 мм с различными степенями деформации. Скорость деформации 0,4 мм/с, смазкой служила смесь в составе: 50% автола плюс 30% графита, плюс 20% олеиновой кислоты. По схеме I (табл. 10) обрабатываемый металл находится между магнитострикционным преобразователем и отражателем, встроенным в станину, а по схеме II — между двумя преобра­ зователями, прикрепленными к траверсе машины.

Определяя влияние УЗК на степень вытяжки [32], колеба­ ния подводили к матрице после того, как уже был контакт при усилии 200—600 кГс (стальной лист") и 100—200 кГс (цветные металлы).

20

Опыты показали, что для стали 20 усилие снижается ;п 20% при амплитуде смещения вытяжной матрицы ;п 0,012 мм. Однако УЗК уменьшают напряжения в деформиру­ емом металле, что является предпосылкой для увеличения степени деформации. Например, в стали 20 — на 15%, в стали, 10 КПВГ — на 17%, в меди М3 — на 13%.

Интересными являются исследования по влиянию предва­ рительного циклического нагружения на пластичность метал­ лов при ударном деформировании [21]. Анализ полученных в работе данных показывает, что предварительное ультразву­ ковое нагружение металла ухудшает его деформируемость — уменьшается относительное удлинение растянутого волокна, стрела пластического изгиба и т. п.

Ультразвуковое оборудование, применяемое при обработ­ ке давлением. Разработка ультразвукового оборудования но­ сит, как правило, лабораторный характер, чем и объясняется ограниченное применение в машиностроении ультразвуковой обработки давлением.

В Белорусском политехническом институте разработан прокатный стан, валки которого колеблются с ультразвуко­ вой частотой в направлении, параллельном осям их вращения [1]. Благодаря этому усилия деформации снижаются в 1,5— 2 раза, а вытяжка увеличивается почти в 1,5 раза. Кроме то­ го, резко уменьшается контактное трение. При воздействии ультразвуковых колебаний металл становится более податли­ вым без повышения температуры. Снижение трения и повы­ шение пластичности металла приводят к уменьшению усилий прокатки, деформации стана и прогибу валков.

Для алмазного выглаживания и ультразвукового упрочне­ ния деталей в МАИ созданы ультразвуковые головки типа УЗВМ-1 с магнитострикционным и УЗВП-2 с пьезокерамиче­ ским преобразователями [1]. Ультразвуковая головка УЗВМ-1 с магнитострикционным преобразователем закрепля­ ется в резцедержателе токарного станка 1К62. Головка со­ стоит из неподвижного и подвижного корпусов. Перемещение

21

внутреннего корпуса ограничено ввернутым в него винтом, который установлен в продольном пазу неподвижного корпу­ са. Для уменьшения сил трения неподвижный и подвижный корпуса выполнены из разнородных материалов. Внутри под­ вижного корпуса смонтирован двухстержневой магнптострикпионный преобразователь из пермендюр сечением 20X20 мм2. К рабочему торцу преобразователя припаян полуволновой концентратор, который крепцтся к внутреннему корпусу го­ ловки с помощью тонкого фланца, расположенного в узле смещений концентратора.

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА

Механизм УЗ-сварки заключается в том, что под действи­ ем излучаемых колебаний между свариваемыми объектами образуется слой квазипластичного металла (квазижидкое со­ стояние), «схватывание» которого происходит после прекра­ щения излучения.

УЗ-сварка происходит при температуре ниже температу­ ры плавления, соединение происходит в твердом' состоянии. Сварку можно выполнять на большом расстоянии от источни­ ка питания.

Можно приваривать гофрированные изделия к плоским, соединять изделия из разнородных материалов, зйачительно отличающихся по массе. Важным обстоятельством является возможность ультразвуковой сварки даже при значительном загрязнении деталей, а также высокая локальность разогре­ вания свариваемых 'деталей, что существенно при упаковке легковоспламеняющихся деталей. УЗ-сварка выполняется точечным и шовным методами.

В Ленинградском институте водного транспорта отработа­ на технология УЗ-сварки анодированного алюминия и латуни. Латунный лепесток толщиной 0,4 мм приваривается к алю­ миниевой ленте толщиной 0,2 мм. Контактное давление равно

55—65 кг, время сварки — 0,35—0,45 с.

В микромодульной технике для УЗ-сварки применяется установка УСФ-45. Сварочная головка выполнена с феррито­ вым преобразователем, что обусловило высокую экономич­

22

ность установки, ее простоту, малые габариты. Получена по­ вторяемость соединений, которая достигается благодаря использованию генератора с автоподстройкой частоты, мощ­ ностью 400 Вт, частотой 44—60 кГц.

Успешно применяется ультразвуковая сварка алюминие­ вых конденсаторов [27] на ультразвуковом монтажно-сва­ рочном столе И02-00030. Мощность ультразвукового преобра­

снабжен реле времени с рычажной системой для регулирова­ ния усиления сжатия. Удельное давление 0,8—0,9 кг/мм2, время сварки — 0,4 с; мощность колебаний — 200 Вт.

Очень удобным в эксплуатации является пистолет УЗСП2-0.2-С, позволяющий приваривать алюминиевые листы толщиной 0,2 мм к массивным изделиям из того же материа­ ла. Пистолет рассчитан на семичасовую работу, питается от генератора УЗГ-З-0,4 мощностью 220 Вт, частотой — 44 кГц, масса пистолета — 1,2 кг. Режим работы пистолета прерыви­ стый, длительность рабочего импульса — не более 5 с, время между импульсами 3 с. Пистолет выпускается серийно.

Номенклатура изделий, проходящих УЗ-сварку, непрерыв­ но растет; непрерывно совершенствуется оборудование и технологические приемы, обеспечивающие стабильность про­ цесса сварки [28—32].

Ультразвуковую сварку фланцев трубчатых деталей осу­ ществляют с помощью устройства [28]. Оно содержит колон­ ну, на которой установлен магнитострикционный преобразо­ ватель и акустический трансформатор с рабочим инструмен­ том. Устройство обеспечивает возможность сварки деталей большой длины.

ПатенгСША [29] защищает способ и аппарат для УЗсварки, автоматически анализирующий рабочие параметры сварки. Проводится свайка особо тонких проводников с мик­ роэлементами интегральных схем.

Стабильность сварки и повышение производительности обеспечиваются устройством по авторскому свидетельству [30]. Повышение стабильности обеспечивается тем, что меж­ ду цепями пйта'ния задающего генератора качающейся часто­ ты и усилителя мощности введена обратная связь для изме­ нения скорости качания частоты обратно пропорционально нагрузке на усилитель мощности.

Высокое качество сварки определяется, в частности, дли­

ной волновода.

Необходимую длину волновода можно установить экспе­ риментально по прочности сварных соединений [31]. Этот метод целесообразно применять в процессе ультразвуковой микросварки при постоянных режимах.

23

Опыт ультразвуковой сварки алюминиевых электролити­ ческих конденсаторов (К50-ЗА; К50-ЗБ; К50-ЗИ; К50-ЗФ) по­ казал, что соединения обладают однородной структурой, вы­ сокой механической прочностью и надежным электрическим контактом. Сварка проводилась на машине МТУ0,4-3. Для быстрой замены отработанных наконечников рекомендуется делать волноводы разъемными или съемными [32]. Стабили­ зация ультразвуковой сварки достигается при постоянной амплитуде колебаний рабочего инструмента и постоянном контактном усилии.

Применяют ультразвуковую сварку металла с полупро­ водником [13]. При этом установлено, что путем регистрации статического одностороннего отклонения опоры можно повы­ сить качество соединений.

. Выбор наконечника зависит от свойств свариваемых мате­ риалов. Например, при сварке никеля наконечники рекомен­ дуется выполнять на никелевой основе, т. е. из материала, обладающего высокой жаропрочностью [32].

В табл. 11 и 12 приводятся режимы ультразвуковой свар­ ки для различных материалов [11, 43].

24

Режим сварки зависит от толщины и вида свариваемых материалов (табл. 13).

25

Оборудование, применяемое при точечной ультразвуковой сварке. В табл. 14 приводится характеристика некоторого сварочного ультразвукового оборудования, в табл. 15 — его назначение.

26

Продолжение табл. 15

1 Выпускается серийно.

2 Индивидуальное производство. i

ТЕРМОУЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА

В машиностроении СССР и за рубежом начинает приме­ няться термоультразвуковая обработка [36—41]. В данном обзоре рассматриваются возможности замены старения тер­ моультразвуковой обработкой. Например, термоультразвуко­ вой обработке подвергались плунжерные пары насосов из стали ХВГ. Колебания получали от генераторов УЗГ-10У, амплитуда волновода 10—12 мкм, температура среды 250°С (масло, глицерин). Термоультразвуковая обработка позволи-( ла получить более высокую твердость при уровне напряже­ ний иа 35% ниже, чем обычно, принтом же количестве оста­ точного аустенита, повысить износостойкость плунжерных пар, при этом структура стала стабильной, более дисперсной.

27

Плунжерные пары из ХВГ обычно дважды проходят де­ сятичасовое старение — после обработки холодом и черново­ го шлифования при температурах 150 и 120°С соответственно.

При обработке с ультразвуком [37] сократился цикл стаби­ лизирующей обработки почти в два раза (с 20 до 11 ч), вто­ рое тепловое старение заменено термоультразвуковой обра­ боткой.

втулках с 890 до 1010, на плунжерах с 953 до 1044 кг/мм2. Максимальная долговечность втулок, прошедших ультра­

ключается в том, что в зоне контакта создаются условия для движения и выхода дислокаций и протекания диффузионных

происходит завихрение материалов, вихри расположены на стороне более пластичного материала. Существует оптималь­ ное время, после которого глубина диффузии не меняется, видимо, образуются соединения.

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОЧИСТКА

Ультразвук незаменим при очистке деталей сложной кон­

сти, достигает очень больших значений (превышает межмоле­ кулярное сцепление жидкости), что и вызывает удаление за­ грязнения с поверхности.

§8

Особенно эффективен способ очистки при обработке труб сложной конфигурации, которые крайне трудно очищать ка­ ким-либо другим способом (например, ручная очистка).

Основные виды загрязнений, удаляемые в процессе очист­ ки, классифицируют на четыре вида [43]:

твердые п жидкие пленки — различные масла, жиры, угле­ водороды, мазут, мыло, полировочные и притирочные пасты;

твердые осадки — частички металла и абразива, пыль, на­ гар из кокса, золы, смолы, сажи и других продуктов сгора­ ния топлива; водонерастворимые неорганические соединения (накипь, флюсы) и водорастворимые или частично раствори­ мые органические и неорганические соединения (сахар, крах­ мал, белок, кровь, соли);

продукты коррозии — ржавчина, окалина, шлам, окисные пленки на цветных металлах и т. д.

предохраняющие, консервирующие и защитные покры­ тия— эмали, смазочные масла, наклеенные смолы и т. д.

Моющей средой могут' служить органические растворите­ ли (бензин Б-70, фреон-113, четыреххлористый углерод, три­ хлорэтилен, ацетон, дихлорэтан и др.), преимуществом кото-, рых является легкое удаление с поверхности деталей (вслед­ ствие легкой летучести) и хорошее проникновение в различ­ ные отверстия (вследствие низкого поверхностного натяжения). Органические растворители не вызывают коррозии металла. Они эффективно очищают детали от полировочных паст, жи­ ров и масел, парафина, воска, гудрона.

Наибольшее применение находит бензин Б-70, уайт-спи­ рит, ацетон, этиловый спирт, ксилол, толуол, так как они ме­ нее токсичны, чем хлорированные углеводороды, но легко вос­ пламеняемы.

Трихлорэтилен недостаточно стабилен, он разлагается на Свету с образованием фосгена, а при соприкосновении с ме­ таллическими порошками взрывается.

Для очистки от различных смол и канифоли применяют этиловый спирт. Если требуется очистить тонкие механизмы,, не повредив их лаковых покрытий, то используют состав из 30 частей уайт-спирита и одной части олеиново-кислого.алю­ миния.

При очистке от продуктов коксования применяют керосин с 10—20%-ной добавкой скипидара (температура раствора 15—50°С). либо трансформаторное масло с 20 г ОП-7 на 1 л (температура раствора 80°С).

Широко применяются для очистки щелочные растворы, для снижения поверхностного натяжения которых и улучше­ ния моющей способности добавляют поверхностно-активные вещества (растворители ОП-7, ОП-Ю, сульфанол и типола).

29