Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

ГАНИЕВ Махмут Масхутович

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ВИБРОУДАРНЫЕ СИСТЕМЫ В ПРОЦЕССАХ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННЫХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ

05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Казань 2010

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева

Официальные оппоненты: доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Асташов Владимир Константинович;

доктор технических наук, профессор

Горюнов Лев Васильевич

доктор технических наук, профессор

Киселев Евгений Степанович

Ведущая организация:

Институт Проблем Машиностроения РАН, г. Санкт - Петербург

  Защита состоится 24 сентября 2010 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.11 при Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. К.Маркса, 68 (зал заседаний Ученого совета).

  С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.

Автореферат  разослан л___  _____  2010г.

Ученый секретарь

диссертационного совета                                                Герасимов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В машиностроении одним из эффективных способов повышения эксплуатационных свойств деталей машин является холодное поверхностное пластическое деформирование (ППД). При ППД улучшается микрогеометрия поверхности, повышается поверхностная твердость, в поверхностном слое образуются напряжения сжатия, в результате чего повышаются эксплуатационные свойства деталей: усталостная и контактная  прочность, износостойкость, коррозионная прочность и стойкость.

Одним из эффективных и перспективных методов упрочнения посредством ППД является ударная ультразвуковая обработка (УУЗО), осуществляемая жестко закрепленным или полусвободным металлическим инструментом. По сравнению с другими способами ППД УУЗО пластически деформирует поверхностный слой импульсно с большой частотой, скоростью, интенсивностью при незначительном нагреве, обеспечивая многократное увеличение долговечности деталей и конструкций.

Необходимым условием высокоамплитудной устойчивой обработки является настройка ультразвуковой колебательной системы в резонанс. Ударный, т.е. существенно нелинейный характер взаимодействия колебательной системы с металлической заготовкой вызывает проявление ряда нелинейных эффектов, таких как смещение резонансной частоты при изменении нагрузки (силы прижима инструмента, контактной жесткости обрабатываемого материала), двузначность амплитудно-частотной характеристики, наличие неустойчивых диапазонов частот возбуждения и др. Эти явления затрудняют резонансную настройку ультразвуковой системы, приводят к потере устойчивости и срыву колебаний.

В ходе развития ультразвуковой техники получили распространение более сложные колебательные системы, состоящие из двух и более соударяющихся элементов. Применение таких систем позволяет уменьшать  потери и концентрировать УЗ энергию в обрабатываемом материале, обеспечить эффективную виброизоляцию станка или ручного инструмента, проводить виброударную обработку в труднодоступных местах и др. В то же время, с введением дополнительных ударных пар увеличивается число степеней свободы, что еще более усложняет поведение колебательной системы. Поэтому динамический анализ составных колебательных систем с двумя степенями свободы, исследование их резонансных свойств с учетом ударного взаимодействия с обрабатываемым изделием является (актуальной) первостепенной задачей.

Высокая концентрация энергии ультразвука в зоне обработки в значительной мере влияет на физико-механические свойства материалов и протекание технологических процессов в ходе обработки материалов как в твердой, так и в жидкой фазе. Деформационное упрочнение металла из-за увеличения степени пластической деформации, интенсификация пропитки композита в результате уменьшения вязкости и улучшения смачиваемости связующего позволяют улучшать структуру и повышать прочностные характеристики готовых изделий наложением ультразвуковых колебаний. Поэтому важными являются вопросы совершенствования ультразвукового ударного инструмента с целью повышения эффективности его работы и  достижения лучших эксплутационных показателей изделий машиностроения.

Работы, направленные на решение перечисленных проблем, являются актуальными и представляют научный и практический интерес.

Областями исследований в данной работе являются: нелинейные колебания ультразвукового ударного механизма, математическое моделирование динамики его работы, изыскание путей повышения эффективности работы ультразвукового ударного инструмента.

Автор выражает благодарность д.т.н., профессору Вагапову И.К. и д.т.н., профессору Каримову А.Х. за научные консультации по работе.

Цель работы. Разработка теоретико-экспериментальных основ работы ультразвуковых виброударных систем для повышения эффективности их применения при формировании эксплуатационных свойств металлических и композиционных материалов изделий машиностроения.

Задачи исследований:

1. Разработать математическую модель работы виброударной ультра-звуковой технологической системы с двумя степенями свободы с одним активным и одним пассивным вибраторами-интрументами, учитывающую нелинейность технологической нагрузки при деформировании металла.

2. Разработать математическую модель динамики работы виброударного ультразвукового инструмента с промежуточным бойком и учетом процесса поверхностного пластического деформирования металла.

3. Разработать комплексные программы расчета математических моделей виброударных ультразвуковых технологических систем.

4. Провести экспериментальные исследования рассматриваемых вибро-ударных ультразвуковых технологических систем с целью проверки и уточнения математических моделей и оптимизации параметров режима их работы.

5. Разработать метод мониторинга работы виброударной ультразвуковой системы с промежуточным бойком с целью управления интенсивностью ультразвукового воздействия на материал.

6. Рассмотреть применения виброударных ультразвуковых технологи-ческих систем для повышения эксплуатационных характеристик изделий машиностроения из металлических и композиционных материалов.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель работы виброударной ультразвуковой технологической системы с двумя степенями свободы с одним активным и одним пассивным вибраторами-интрументами, учитывающая нелинейность технологической нагрузки при деформировании металла.

2. Математическая модель динамики работы виброударного ультразву-кового инструмента с промежуточным бойком и учетом процесса поверхностного пластического деформирования металла.

3. Комплексные программы расчета математических моделей вибро-ударных ультразвуковых технологических систем.

4. Результаты экспериментальных исследований рассматриваемых виб-роударных ультразвуковых технологических систем.

5. Метод мониторинга работы виброударной ультразвуковой системы с промежуточным бойком.

6. Результаты применения виброударных ультразвуковых техноло-гических систем для повышения эксплуатационных характеристик изделий машиностроения из металлических и композиционных материалов.

Достоверность и обоснованность результатов исследований, научных выводов и рекомендаций подтверждается:

• применением современных точных приборов, аппаратуры, тарировочных методик;
• хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных результатов;
• положительными результатами лабораторных испытаний и производственного внедрения.

Научная новизна результатов исследований.

1. Математические модели работы виброударных ультразвуковых технологических систем с одним активным и одним пассивным вибраторами, а также с промежуточными бойками учитывают нелинейность технологической нагрузки и процесс пластического деформирования металла, что позволило повысить точность расчетов оптимальных параметров систем.

2. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что толщиной продеформированного слоя металла можно управлять в процессе работы ультразвукового механизма путем измерения динамического увода.

3. Применение в математических моделях метода гармонической линеаризации позволило выявить резонансные свойства виброударных ультразвуковых систем, а использование метода припасовывания - рассчитать ударные напряжения в деформируемом металле.

4. Разработана новая подтвержденная патентом конструкция виброудар-ного многобойкового ультразвукового инструмента.

5. Разработан метод мониторинга работы виброударной системы по интенсивности ультразвукового воздействия на обрабатываемый материал.

6. Получено в технологических применениях виброударных ультразвуковых систем:

а) ультразвуковая виброковка сталей аустенитного класса может обеспечивать одновременное формообразование и упрочнение до твердости мартенситных сталей после закалки;

б) при снятии сварочных напряжений время ультразвукового воздействия имеет пороговое значение;

в) возможно одновременное повышение коррозионной стойкости и прочности трубной стали;

г) ультразвуковая обработка связующих композиций повышает прочность композиционных полимерных материалов, покрытий и клеевых соединений.

Практическая значимость результатов исследований:

• Разработанные математические модели позволяют определять оптимальные режимы работы ультразвукового виброударного механизма и параметры режима обработки, обеспечивающие наибольшую эффективность его применения.
• Полученные резонансные зависимости вибратора позволяют установить наиболее интенсивные и устойчивые режимы ППД.
• Новая конструкция виброударного ультразвукового механизма с промежуточными бойками обеспечивает повышение эффективности его работы.
• Разработанный метод мониторинга работы виброударной ультразвуковой технологической системы позволяет управлять процессом ультразвукового воздействия на материал.
• Показаны области эффективного применения виброударных ультразвуковых систем для формирования эксплуатационных свойств металлических и композиционных материалов изделий машиностроения. Получен экономический эффект от внедрения результатов в объеме 1,2 млн. рублей.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований применены в ОАО Казанское моторостроительное производственное объединение, ОАО Казанский вертолетный завод, ООО Менделеевсказот г. Менделеевск, ОАО Производственное объединение ЕАЗ г. Елабуга, ЗАО МЕЛИТА-К г. Казань, ОАО СеверНИПИгаз г. Северодвинск.

В ОАО Казанское моторостроительное производственное объединение технология УУЗО и оборудование внедрены для релаксационно-упрочняющей обработки сварных соединений при изготовлении корпусных деталей и узлов газотурбинных двигателей и крупногабаритных сварных конструкций.

В ОАО Казанский вертолетный завод результаты исследований приняты к использованию в технологических процессах изготовления лонжерона и торсиона лопасти несущего винта вертолета.

В ООО Менделеевсказот оборудование и технологический процесс УУЗО использованы для уменьшения остаточных сварочных напряжений сварных швов при врезке штуцеров в шаровой резервуар газгольдера.

В ОАО Производственное объединение ЕАЗ внедрены разработанные оборудование и технологический процесс УУЗО сварных швов барабана лебедки подъемных агрегатов для ремонта скважин.

В ЗАО МЕЛИТА-К результаты исследований использованы в целях оптимизации и совершенствования технологии и оборудования для заточки лезвий методом ультразвуковой виброковки при изготовлении режущего инструмента медицинского и технического назначения.

Предприятием СеверНИПИгаз проводились полигонные испытания оборудования и технологии УУЗО при ремонте участков газопровода с коррозионными дефектами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях (НТК): Международной НТК Современные проблемы машиностроения, г. Гомель, ГПИ, 1999; Международной НТК Использование ультразвуковой обработки для снижения остаточных напряжений в сварных швах, г. Севастополь, 2004; Международной НТК Машиностроение и техносфера, г. Севастополь, 2005; Международной НТК Машиностроение и техносфера ХХI века,  г. Севастополь, 2007; Всероссийской НТК Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения, г. Орел, 2003; Всероссийской НТК Технологическое обеспечение создания и развития воздушно-транспортных средств. ЭкранопланЦ94, г. Казань, 1997; Всероссийской НТК Тепловые двигатели в ХХI веке, г. Казань, 1999; Всероссийской НТК Физикохимия процессов переработки полимеров, г. Иваново, 2002; Международной научно-практической конференции Машиностроение техносфера ХХI века,  г. Севастополь, 2008; Всероссийской НТК Нелинейные колебания механических систем, г. Нижний Новгород, 2008 и др.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в одной монографии, 17 научных статьях (10 статей из перечня ВАК), 12 тезисах докладов, 6 патентах на изобретения, 2 учебных пособиях,  2 зарегистрированных в реестре программах расчета.

Вклад автора в проведенное исследование заключается в проработке состояния вопроса, постановке цели и задач исследований, разработке математических моделей и расчетных программ, постановке экспериментальных исследований, организации внедрения, в ведущем участии в проведении экспериментальных исследований, расчетов, внедрении результатов исследований.

Структура и объем работы.  Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы из 318 наименований, приложений и содержит  330 страниц, 77 рисунков, 30 таблиц, 3 приложения.

В первой главе диссертации обосновывается область и направление исследований, проводится критический анализ опубликованных работ, ставятся цель и задачи исследований.

Отмечается, что холодное поверхностное пластическое деформи-рование (ППД) является одним из эффективных способов повышения эксплуатационных характеристик деталей машин.

Большой вклад в развитие процессов ППД внесли отечественные и зарубежные ученые И.А. Биргер, А.А. Маталин, М.А. Елизаветин, Э.А. Сатель, Ю.Г. Шнейдер, С.Н. Полевой, М.С. Поляк, Л.Г. Одинцов и др.

Одним из эффективных и перспективных методов поверхностного пластического деформирования является ударная ультразвуковая обработка (УУЗО) материалов, имеющая ряд преимуществ перед другими методами ППД.

В первую очередь, в машиностроении УУЗО применяется в качестве упрочняюще-чистовой обработки. Разработке, исследованию и внедрению УУЗО посвящены работы И.И. Муханова, В.К. Асташева, В.В. Бабицкого, Ю.А. Янченко, А.В. Кулемина, В.В. Клубовича, В.Н. Сакевича, И.К. Вагапова,  И.Г. Полоцкого, Г.И. Прокопенко и др.

Отличительной особенностью УУЗО является воздействие на поверхность детали мощных ультразвуковых колебаний  и волн ультразвуковых напряжений. В обрабатываемой поверхности формируются зоны влияния УУЗО: аморфный Убелый слойФ (h0,002Е0,5 мм), зоны пластической деформации (1Е2,5 мм), импульсной релаксации (3...5 мм), ультразвуковой релаксации (10...12 мм). Эти зоны определяют улучшение соответствующих эксплуатационных свойств материалов.

Следует отметить, что в основном исследованы схемы УУЗО с жесткозакрепленным инструментом различной формы. В ряде работ приводятся результаты теоретических исследований и формулы для расчета силы удара шарика, выделившейся ударной мощности и других параметров процесса. Для расчетов характеристик качества поверхностного слоя: микротвердости, шероховатости, остаточных напряжений предлагаются эмпирические формулы, полученные методом математического планирования эксперимента.

Обзор теоретических работ показывает необходимость дальнейших исследований по составлению более полных математических моделей, учитывающих одновременно динамику инструмента и процесса ППД и позволяющих рассчитывать параметры процесса.

Второй областью эффективного применения УУЗО является обработка сварных соединений с целью уменьшения сварочных напряжений и деформаций. В этом направлении известны работы Г.Ю. Макулина,  Ю.А. Янченко, В.М. Сагалевича, И.Г. Полоцкого, Ю.В. Холопова, В.Ф. Казанцева, Е.Ш. Статникова, В.Г. Бадаляна, Е.А. Лесюка и др.

Однако следует отметить сравнительно малое число работ, посвященных влиянию УУЗО на качество сварных соединений, особенно с применением многобойкового ударника. Кроме того, большинство исследований выполнено на образцах, мало примеров по реальным изделиям, недостаточно исследований по изучению микротвердости и остаточных напряжений в поверхностном слое различных материалов.

К достоинствам УУЗО относят повышение коррозионно-усталостной прочности, сопротивления общей коррозии и коррозии под напряжением. В немногочисленных работах А.А. Маталина, Л.Г. Одинцова, Л.Д. Бронза,  Е.Ш. Статникова и других приводятся отдельные примеры влияния ППД на коррозионную стойкость и прочность металлических материалов.

В машиностроении, особенно в авиа-вертолетостроении и производстве ракетно-космической техники все большее применение получают полимерные композиционные материалы (ПКМ).

Для обеспечения качества ПКМ, клеевых соединений и покрытий связующие вещества должны обладать хорошей смачиваемостью и пропиткой волокнистого наполнителя, смачиваемостью и растеканием по поверхности, специальными свойствами.

Улучшение технологических свойств эпоксидных смол и композиций на их основе возможно физическими воздействиями и, в частности, применением УУЗО. Это объясняется значительными импульсами энергии, вводимыми в обрабатываемую среду с ультразвуковой частотой.

Применение УУЗО эпоксидных смол и композиций на их основе рассматривалось в работах В.Н. Кестельмана, Е.В. Москалёва, В.Г. Хозина, А.Е. Колосова, А.М. Амировой, L. Lin, Y.D. Huang, Z.Q. Zhang, А.А. Каримова, Б.А. Шипилевского, И.М. Старобинца, L. Shao, В.И. Халиуллина,  А.Ф. Магсумовой и др.

Обзор опубликованных работ показывает, что УУЗО эпоксидных композиций является эффективным способом улучшения их технологических свойств, интенсификации и повышения качества процессов пропитки, смачивания, растекания и, в конечном счете, - повышения прочностных характеристик ПКМ, клеевых соединений и покрытий. Однако в сравнительно немногочисленных работах, посвященных исследованиям данной проблемы, встречаются противоречивые сведения, поэтому продолжение исследований в этом направлении является актуальным.

В заключении первой главы приводятся сведения об оборудовании для УУЗО, выпускаемом отечественными и зарубежными фирмами.

Таким образом, обзор опубликованных работ показал, что виброударный ультразвуковой инструмент может эффективно применяться для упрочняюще-чистовой обработки поверхностей металлических деталей, снятия сварочных напряжений и деформаций сварных соединений, повышения прочности ПКМ, клеевых соединений и покрытий. Установлено также, что еще достаточно много перечисленных ранее вопросов следует изучить для его более эффективного применения.

По результатам анализа состояния исследуемой проблемы поставлены цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена исследованию динамики ультразвуковых виброударный систем с двумя степенями свободы. В рамках единого математического формализма рассмотрены два вида ультразвуковых технологических систем: 1) ультразвуковой преобразователь, состыкованный с волноводом-отражателем, выполняющим роль резонансной опоры; 2) ультразвуковой преобразователь с промежуточным незакрепленным ударником.

Расчет амплитудно-частотных (АЧХ) и фазо-частотных характеристик (ФЧХ) ультразвуковой виброударной системы, исследование областей существования и устойчивости нелинейных колебаний проведены на основе метода гармонической линеаризации силовой ударной функции. Этот метод позволяет выявить резонансные свойства виброударной системы, исходя из первой гармоники колебательного движения элементов системы, пользуясь простейшими зависимостями силового контактного взаимодействия для ударной пары.

В первом разделе динамика ультразвуковой технологической установки, состоящей из двух соосных волноводов резонансной длины, в одном из которых возбуждается продольная стоячая волна, рассматривается как вынужденные колебания двух взаимодействующих через обрабатываемую среду подсистем, причем очаг деформации является как технологической нагрузкой, так и звеном связи для двух колебательных систем. Пассивный волновод-отражатель жестко закреплен за фланец в узле колебаний (рис.1), а волновод, связанный с преобразователем, имеет возможность перемещения вдоль оси и прижат своим рабочим торцом (или установленным на нем бойком) к рабочему торцу (бойку) закрепленного волновода. Обработка материала происходит в вибрирующем зазоре между торцами волноводов.

С помощью оператора динамической податливости вязкоупругого стержня-волновода запишем уравнения продольных смещений бойков

,

,  (1)

где - относительное смещение бойков; - оператор динамиченской податливости -гo стержня (=1, 2), связывающий смещение контактирующего торца с продольной вынуждающей силой .

Рис. 1 Схема ультразвуковой микроковки: 1, 2 - волноводы, 3 - обрабатываемая заготовка,

4 - крепежный фланец волновода, 5 - крепление, 6 - ролики,

7 - преобразователь, 8 - генератор, 9 - датчик перемещений

Считается, что вынуждающая сила и сила прижима приложены в контактирующих сечениях. Функция описывает силовое ударное взаимодействие волноводов через обрабатываемый материал. Используя метод гармонической линеаризации, будем искать решение уравнений (1) в виде

, (2)

где , - постоянные составляющие смещений; , - амплитуды; , - сдвиг фазы абсолютных и относительных колебаний торцов волноводов.

Анализ ударного взаимодействия резонансных волноводов  проведен на основе модели нагружения металла в очаге деформации, характерной для процессов обработки металлов давлением (ковка, плющение, прессование). Модель отражает основные особенности процесса ультразвуковой ударной обработки: наличие фаз деформирования и свободного хода бойков; рост сопротивления деформированию при сжатии заготовки; разгрузку металла при расхождении бойков. Зависимость силы деформирования металла от относительного расстояния между бойками l задается обратно пропорциональной зависимостью:

, (3)

с феноменологической константой А, характеризующей деформационное упрочнение металла.

Феноменологическая константа А, характеризующая степень возрастания силы деформирования при сжатии металла, определяется геометрическими размерами обрабатывающего инструмента, толщиной заготовки и ее механическими свойствами. Для сталей разных классов величина константы рассчитана по измерению толщины прокованной кромки с использованием аналитических выражений для заданной геометрии очага деформации. 

В результате гармонической линеаризации силовой характеристики выражение для ударной функции  имеет вид:

, (4)

где гармонические коэффициенты жесткости k и демпфирования β учитывают влияние упруго-диссипативных свойств упрочняемого в очаге деформации металла на резонансные характеристики колебательной системы. Отмечено, что с увеличением значения феноменологической константы А  динамическая жесткость системы возрастает и нелинейные свойства колебаний приобретают более выраженный характер.

После подстановки линеаризованного выражения (3) в уравнения (1)  выражение для амплитуды относительных колебаний сводится к иррациональному алгебраическому уравнению

. (5)

Нахождение корней уравнения (5) позволяет определить амплитуду относительных колебаний в зависимости от параметров ультразвуковой установки и технологического процесса. Подставляя полученное значение в выражения для коэффициентов линеаризации и , определим амплитуды и фазы абсолютных колебаний из выражений , , а также характеристики процесса. В итоге рассчитаны амплитудно- и фазочастотные характеристики относительных и абсолютных колебаний преобразователя и отражателя, характеризующие динамику работы УЗ инструмента. Из условия рассчитана скелетная кривая относительных колебаний:

.  (6)

На каждом шаге расчетов проверялось энергетическое условие устойчивости колебаний.

Теоретические расчеты проведены для реального случая несовпадения собственных частот волноводов. При этом рассмотрены случаи, когда собственная частота ультразвукового преобразователя выше и ниже собственной частоты волновода-отражателя, а также идеальный случай равенства собственных частот. Для удобства индексы волноводов на графиках заменены буквами, означающими: о - отражатель; п - преобразователь.

Экспериментальные исследования проводились на установке, представляющей собой два соосных состыкованных волновода полуволновой длины, закрепленных за фланцы. Поочередно в каждом из волноводов возбуждали ультразвуковые колебания с помощью магнитострикционного преобразователя ПМС1-1, протяжку стальной плоской заготовки через стык бойков осуществляли специальным механизмом. Амплитуду колебаний измеряли протарированным индукционным датчиком, используемым в серийном преобразователе ПМС1-1. Динамический увод подвижного волновода регистрировали датчиком малых перемещений Микрон 02. Для измерения амплитудно-частотных характеристик частоту ультразвукового генератора плавно перестраивали с помощью задающего прецизионного генератора ГЗ-110А, управляемого напряжением. Контроль частоты проводили частотомером ЧЗ-54А.  Результаты измерений выводили на экран дисплея и печатающее устройство в виде графиков (рис. 2).

Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментом, хотя имеются некоторые отличия: высоко-низкочастотный максимумы раздвинуты по частоте шире, чем предсказывает теория, причем низкочастотный резонанс лежит ниже меньшей собственной частоты; в случае < низкочастотный максимум амплитудно-частотной характеристики преобразователя меньше, чем высокочастотный, в то время как в теории - наоборот. Эти различия объясняются мягкостью характеристики взаимодействия при малых относительных амплитудах и безотрывных колебаниях волноводов в отличие от ударной характеристики.

Рис. 2. Экспериментальные амплитудно-частотные характеристики магнитострикционного преобразователя аn и волновода-отражателя a0 при fП <  f0 в процессе виброковки с усилием прижима G= 410 Н (I); 600 Н (2); 830 Н (3); 880 Н (4). (------------ - амплитудно-частотная характеристика преобразователя на холостом ходу)

При некоторой силе прижима, значительно меньшей для <, чем при обратном соотношении частот, виброударный режим отсутствует и бойки совершают совместное движение (кривая 3 на рис. 2). Вследствие тенденции увеличения резонансной частоты преобразователя при ударной нагрузке его парциальная частота должна быть больше парциальной частоты волновода-отражателя. В этом случае достигается наибольшая амплитуда относительных колебаний, а неустойчивость, срыв и замыкание стыка наступают при более высоких силах прижима. С этой точки зрения теоретически рассмотренный идеальный случай равенства частот преобразователя и отражателя, к которому обычно стремятся на практике, не является наилучшим.

Измерение динамического увода показало хорошее совпадение расчетных значений с экспериментом, что позволяет с большой точностью контролировать толщину прокованной заготовки.

Во втором разделе динамика процесса ультразвуковой ударной обработки ручным инструментом с промежуточным бойком рассматривается как вынужденные колебания двухмассовой системы с двумя ударными стыками.

Исследуется влияние технологической нагрузки (массы ударника, жесткости контактного взаимодействия ударника с заготовкой, силы прижима) на амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики ультразвукового преобразователя, устойчивость ударных колебаний на частоте ультразвука.

Рис. 3. Схема ультразвукового инструмента (а); схема зоны обработки (б); развертки колебаний волновода и ударника (в); силовая характеристика контакта (г)

Схема инструмента для ультразвуковой ударной обработки представлена на рис.3. Магнитострикционный преобразователь 1, имеющий крепежный фланец 4 в узле продольных колебаний волновода-концентратора, прижимается статической силой G к ударникам 2 (на схеме показан один ударник). Ударники заключены в обойму 3 и имеют свободный ход вдоль оси колебаний волновода. Обработка изделия производится ударниками, колеблющимися в зазоре между вибрирующим торцем волновода и поверхностью изделия, при этом величина зазора зависит от режима колебаний. Таким образом, механическое воздействие источника ультразвуковых колебаний передается обрабатываемой среде через два ударных стыка.

Уравнения продольных смещений торца волновода-концентратора и ударника имеют вид:

    (7)

    (8)

где - относительное смещение контактирующих поверхностей волновода и ударника; (здесь n = 1,2) - оператор динамической податливости, связывающий смещение с внешней силой, приложенной к контактирующей поверхности волновода и ударника. Считается, что вынуждающая сила  действует на торец волновода-концентратора, возбуждаемого магнитострикционным или пьезоэлектрическим преобразователем, , где - частота генератора ультразвука. Функции и описывают силу ударного взаимодействия ударника с волноводом и обрабатываемым изделием соответственно.

Решения уравнений будем искать в гармоническом приближении:

               , (9)

где ; ; амплитуды; , , - фазы абсолютных и относительных колебаний волновода и ударника, , , - постоянные составляющие смещений.

Упруго-диссипативные свойства выходной ступени волноводаЦконцентратора описываются  оператором динамической податливости стержня постоянного сечения четвертьволновой длины.

Поскольку геометрические размеры ударника много меньше длины волны ультразвука, для ударника использовано выражение оператора динамической податливости для  сосредоточенной массы:

  (10)

Проведена гармоническая линеаризация ударных функций с учетом того, что соударяющиеся поверхности волновода и ударника обладают бесконечно большой контактной жесткостью. Упруго-диссипативное взаимодействие ударника с обрабатываемым изделием описано моделью упругого ограничителя с учетом потерь энергии при ударах в рамках классической стереомеханической теории удара.

Подставляя в уравнение (8) гармонические коэффициенты силового взаимодействия ударника с обрабатываемым изделием и волноводом, получим алгебраическое уравнение шестой степени для определения амплитуды колебаний ударника :

,  (11)

с зависящими от частоты ультразвука ω коэффициентами. Процедура построения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик колебательной системы реализована в компьютерной программе на языке Дельфи (рис. 4 и 5). На каждом шаге расчета проверялась устойчивость периодических решений с помощью энергетического критерия устойчивости.

По рисункам 4 и 5 установлена независимость резонансной частоты ультразвукового преобразователя от усилия прижима вплоть до порога устойчивости при ~230 Н и перестройки амплитудно-частотной характеристики в двугорбую кривую.

Исходя из величины работы деформации, совершаемой ударником, проведена сравнительная оценка эффективности различных режимов ультразвуковой ударной обработки. Определены параметры наиболее эффективного режима обработки, при котором достигается максимум передачи акустической энергии в обрабатываемый материал.

Рис. 4. Амплитудно-частотные характеристики волновода и ударника (АЧХ волновода a1 обозначена цифрой 1, АЧХ  ударника a2 - цифрой 2, АЧХ относительных колебаний

av - буквой v; сплошные линии построены для силы прижима G = 100 H,

штриховые - для G = 200 H. Пунктирными линиями обозначены области

неустойчивых колебаний)

Рис. 5. Амплитудно-частотные характеристики волновода и ударника (АЧХ волновода a1 обозначена цифрой 1, АЧХ  ударника a2 - цифрой 2,

АЧХ относительных колебаний av - буквой v.

Сплошные линии построены для силы прижима G = 250 H , штриховые - для G = 230 H)

Установлено, что резонансная частота преобразователя не совпадает с максимумом АЧХ ударника, поэтому настройка на резонанс преобразователя не обеспечивает возбуждение наиболее эффективного режима обработки.

Третья глава посвящена исследованию эффективности  ударно-силового воздействия промежуточного бойка на обрабатываемый материал. 

В первом разделе динамика ультразвукового инструмента рассмотрена на основе метода припасовывания с использованием кусочно-линейной аппроксимации закона движения бойка от времени. Для достоверной оценки уровня ударных напряжений, создаваемых в обрабатываемом металле, теоретически и экспериментально определены скорость бойка в момент удара, сила удара бойка по изделию, площадь контакта, длительность соударения. Обоснованность применения метода припасовывания обусловлена тем, что скорости соударяющихся звеньев связаны теоремой импульсов и резко изменяются на границах интервалов безударного движения, в то время как гармоническое приближение (9), использованное в предыдущей главе,  предполагает плавное изменение скорости движения бойка в течение всего периода колебаний. Поэтому метод гармонического баланса, выявляющий резонансные особенности виброударной системы, дает лишь грубую оценку энергии ударного воздействия бойка, приемлемую только для сравнительного анализа эффективности различных технологических режимов. Отмечается, что использование двух взаимно дополняющих теоретических подходов достаточно полно описывает процесс виброударной обработки, поскольку наряду с исследованием резонансных свойства ультразвуковой системы  позволяет рассчитать величину ударных напряжений  в обрабатываемом материале.

В модели предполагается, что преобразователь совершает вынужденные гармонические колебания, а  свободный боек движется в зазоре  от удара до удара с постоянной скоростью, полученной при предыдущем ударе.  Передача ударного импульса от ультразвукового вибратора к бойку описывается как прямой центральный удар стержня с телом, имеющим сосредоточенную массу. Доударные и послеударные скорости торца волновода  и бойка  связаны теоремой импульсов. Неупругие потери при соударении бойка с изделием (сварным швом) учитываются коэффициентом восстановления скорости и продолжительностью удара, которые измеряются экспериментально.

Ультразвуковой ударный инструмент представлен как типичная двухмассовая модель механизма виброударного действия, состоящая из корпуса с магнитострикционным преобразователем и рабочего органа в виде выходной ступени ультразвукового концентратора с эффективной ударной массой. По отношению к двухмассовой системе промежуточный боек следует рассматривать как внешний объект воздействия, преобразующий полученную энергию удара в рабочий процесс. При включении ультразвука в результате динамического увода корпус инструмента смещается в некоторое положение динамического равновесия, расположенное выше статического. В виброударной системе устанавливается динамический зазор Δ, зависящий от параметров режима:

  (12)

где - скорость соударения  торца волновода с бойком; а - амплитуда вынужденных колебаний торца волновода на холостом ходу, параметры B, D и зависят от частоты ультразвука и физических свойств ультразвуковой системы.

Область существования периодических ударных режимов определяется областью действительных значений динамического зазора (12):

                        . (13)

Граница области определяется строгим равенством в выражении (13) и соответствует максимальной ударной скорости торца волновода. Выход виброударной системы на предельный режим с максимальной ударной скоростью происходит при увеличении зазора в результате динамического увода корпуса инструмента.

Полученные решения исследованы на асимптотическую устойчивость и условие отсутствия дополнительных пересечений. Показано (рис. 6), что периодические  режимы  асимптотически устойчивы в зарезонансной области

частот ультразвука, а предельный режим, соответствующий границе области существования (13), неустойчив.

Рис. 6. Амплитудно-частотные характеристики - а); Динамический увод корпуса ультразвукового ударного инструмента - б) для бойка массой  6г (кривые 1) и 18г (кривые 2) при силе прижима G = 160Н. --------- - параметры предельного виброударного режима, соответствующего границе области существования (18); ---- - амплитудно-частотная характеристика колебаний ультразвукового преобразователя на холостом ходу;

--- - устойчивые области, - - - - -  - неустойчивые области  колебаний

Для повышения достоверности результатов сила удара бойка по изделию рассчитана двумя методами: по теореме импульсов и закону Герца. Сравнение результатов расчетов показало их хорошее совпадение. Вычислена площадь пятна контакта и величина упругих напряжений, возникающих в металле при ударе бойка об изделие. Расчеты показывают, что при ультразвуковой виброударной обработке в локальной области площадью порядка 1-2 мм2 создаются нормальные сжимающие напряжения, превышающие предел текучести большинства свариваемых конструкционных сталей.

Анализ динамики виброударного инструмента в зависимости от массы бойка показывает, что из-за уменьшения размаха и скорости колебаний бойка в зазоре при трехкратном увеличении его массы сила удара на устойчивом режиме снижается почти в два раза, а на предельном режиме возрастает в полтора раза. Это говорит о том, что виброобработка тяжелым бойком будет крайне неравномерной, поскольку периодические режимы с относительно слабыми ударами будут прерываться редкими, но мощными ударами бойка по изделию. Оптимальная масса бойка для ручного ультразвукового инструмента мощностью порядка 400 Вт составляет 4-6 г. В этом случае эффективная устойчивая обработка с равномерной силой ударов достигается при усилиях прижима в пределах 80-160 Н, приемлемых для ручного инструмента.

Во втором разделе экспериментальное изучение ультразвуковой виброударной обработки проводилось путем одновременного измерения силы ударов бойка массой 6 г по изделию  и высоты положения корпуса инструмента Гефест-400. Электрические сигналы, снимаемые с пьезодатчика и датчика малых перемещений Микрон-02, подавались на двух канальный цифровой запоминающий осциллограф Velleman 500 (рис. 7).

Рис. 7. Осциллограммы сигналов для G = 160 H, снятые с  пьезодатчика (канал 1) и с датчика перемещений (канал 2), при скорости развертки по оси абсцисс 50 мс на одно  деление координатной сетки

Изучение осциллограмм позволяет наблюдать установление и срыв виброударных колебаний, измерить силу удара бойка по изделию, исходя из которой можно оценить уровень механических напряжений, возникающих  в обрабатываемом материале при ударе. Видно, что нарастание силы периодических ударов наблюдается на стадии подъема корпуса преобразователя из нижнего положения, когда увеличивается промежуток (зазор) между вибрирующим торцом волновода и изделием. Согласно теоретической модели увеличение силы ударов обусловлено увеличением скорости возвратно-поступательного движения бойка в зазоре при смещении вверх корпуса инструмента. Движение корпуса инструмента представляет собой наложение двух, практически гармонических колебаний с частотами порядка 18 и 178 Гц. Исходя из теоретической модели можно заключить, что при столкновениях бойка с интенсивно колеблющейся поверхностью изделия ультразвуковая виброударная система затягивается по амплитуде на предельный виброударный режим с максимальной силой ударов. После этого наступает срыв колебаний и последующее возобновление цикла обработки начинается с безотрывных колебаний.

Экспериментально доказано, что ультразвуковая обработка инструментом с промежуточным свободным бойком представляет собой чередование циклов затягивания и срыва виброударных режимов с периодическим нарастанием и спадом силы ударов бойка по изделию.  Процесс сопровождается установлением низкочастотных (по сравнению с частотой ультразвука) колебаний корпуса виброинструмента. Возникающие при ударах локальные напряжения достигают предела текучести обрабатываемого материала, что является причиной релаксации остаточных напряжений в металле.

В четвертой главе диссертации рассматриваются технологические применения виброударных ультразвуковых систем для формирования требуемых эксплуатационных свойств сталей: микроковка и упрочнение, снятие остаточных сварочных напряжений, повышение коррозионной стойкости и прочности.

Исследовалось применение виброинструмента для пластической деформации острой кромки плоских заготовок толщиной 0,3-1 мм из сталей ЭП853, 12Х18Н9, 65Х13, 50Х14МФ, 08Ю с одновременным упрочнением. На кромке заготовки формировался симметричный клин с углом , плоскими гранями, толщиной в области вершины 15-20 мкм. Обработка проводилась с использованием ультразвукового преобразователя мощностью 1 кВт  на частоте 22 кГц. Амплитуда колебаний составляла - 0,02 мм, статическая сила поджатия - 100 МПа, скорость продольной подачи - 400 мм/мин.

После обработки виброинструментом заготовок на поперечных шлифах прибором ПМТ-3 измерялась микротвердость по длине клина и проводился металлографический анализ структуры стали. Твердость металла на вершине клина измерялась методом внедрения призматического индентора непосредственно в кромку изделия  на глубину порядка 10-15 мкм без изготовления  поперечных микрошлифов. По результатам измерения микротвердости рассчитывались степень и градиент наклепа .

Рис. 4.2. Изменение микротвердости по глубине кромки, полученной в результате обработки ультразвуковым инструментом заготовок из различных сталей

Установлено, что микротвердость исследованных коррозионно-стойких сталей, используемых для изготовления лезвийного инструмента, значительно увеличивается с приближением к кромке клина. Особенно эффективен процесс УУЗО для стали 12Х18Н9, которая не упрочняется термообработкой, а после УУЗО приобретает твердость, соизмеримую с твердостью мартенситных сталей  после закалки (рис.8). Аналогичные зависимости наблюдаются для степени и градиента наклепа по длине клина.

Металлографическим анализом установлены структуры сталей, определяемые предварительной термической или механической обработкой. Общим для всех исследованных сталей является наличие текстуры с хорошо различимыми линиями пластического течения металла в сужающийся клиновидный зазор, образуемый рабочими поверхностями вибрирующих бойков. В процессе ультразвуковой обработки происходит деформационное упрочнение и образование текстуры преимущественно у поверхности и острия клина, что увеличивает  твердость кромки лезвий на 15-40%  по сравнению с традиционной заточкой абразивным шлифованием.

Для экспериментальных исследований влияния УУЗО на объемные и поверхностные остаточные напряжения в околошовной зоне сварного соединения использовался виброударный ультразвуковой комплект ГефестЦ400Э с семибойковой насадкой, модернизированный согласно полученному патенту.

Для эффективности работы виброударного ультразвукового механизма необходимо: 1) получение стабильных высокоамплитудных резонансных колебаний ударника под нагрузкой; 2) создание режимов виброобработки, обеспечивающих превышение предела текучести металла; 3) максимальное уменьшение передачи вибрационного воздействия на сам механизм и на оператора.

Повышение КПД ультразвукового механизма при одновременном уменьшении уровня вибраций достигнуто за счет того, что магнитострикционный излучатель связан с корпусом посредством эластичных виброизолирующих прокладок, а движения магнитостриктора амортизируются пневмокамерой и пружиной.

Проводилась обработка виброинструментом  сварных швов врезки штуцеров  в шаровой резервуар из стали 09Г2С толщиной стенки 18мм при следующих режимах: амплитуда колебаний - 12-14 мкм, частота - 220.2 кГц, сила прижима - 16010 Н, скорость перемещения инструмента вдоль сварного шва - 1-1.5 м/мин. Неразрушающий экспресс контроль уровня внутренних напряжений в сварном шве проводился при измерении магнитного поля рассеяния по методу магнитной памяти металла. В результате двукратной УУЗО установлено уменьшение уровня внутренних напряжений в 1,5 раза, сопровождаемое деформационным упрочнением металла сварного шва и околошовной зоны.

Методом Н.Н. Давыденкова исследовались заготовки углового соедине-ния из стали Ст30 толщиной 25 мм, длиной 150 мм в состоянии после сварки, после сварки и отпуска, после сварки и после обработки ультразвуковым виброинструментом . Для определения влияния длительности воздействия  виброинструмента на характер распределения и уровень остаточных напряжений в обрабатываемой заготовке исследовались три режима обработки виброинструментом сварного шва: 1-18 с, 2 прохода; 2-36 с, 4 прохода; 3-54 с, 6 проходов.

Остаточные напряжения определяли методами полного освобождения и замера прогибов образцов, вырезанных из поверхности околошовной зоны сварной заготовки.

Исследованиями установлено, что УУЗО по режиму 1 снижает растя-гивающие остаточные напряжения в сварном шве в среднем на 35%, по режи-му 2 - на 48%, по режиму 3 - на 51%.

Распределения остаточных напряжений в поверхностных слоях околошовной зоне сварной заготовки из стали Ст30, установленные по замеру прогибов образцов, приведены на рис. 9.

Исследования показали: в околошовной зоне образуются остаточные растягивающие напряжения до 120 МПа глубиной залегания до 15 мкм; УУЗО по режиму 1 снизила остаточные растягивающие напряжения до 40 МПа; УУЗО по режиму 2 сформировало в околошовной зоне благоприятные для конструкционной прочности сжимающие напряжения 40-70 МПа; применение УУЗО по режиму 3 практически не изменило распределения и уровня остаточных напряжений по сравнению с режимом 2.

Рис. 9. Эпюры остаточных напряжений в сварной заготовке в исходном состоянии и после различных способов обработки: 1-1 - режим 1, образец ближе к шву;

1-2 - режим 1, образец дальше от шва и т.д.

Зависимости распределения остаточных напряжений от длительности обработки ультразвуковым инструментом поверхности сварного шва, построенные по результатам измерений остаточных напряжений методами полного освобождения и замера прогибов, показали, что значительное снижение уровня остаточных растягивающих напряжений и формирование благоприятных сжимающих напряжений происходит в течение первых 30-40 секунд обработки ультразвуковым инструментом по режиму 2. В зависимости от физико-механических свойств и характера НДС обрабатываемого материала длительность имеет некоторое пороговое значение, превышение которого не приводит к дальнейшим изменениям значений и характера распределения остаточных напряжений.

После обработки ультразвуковым инструментом сварной шов имеет сглаженный рельеф поверхности, что благоприятно влияет на надежность и ресурс изделия. Отсутствуют также коробления сварной конструкции.

Разработан метод мониторинга работы виброударного ультразвукового механизма с промежуточными бойками по интенсивности ультразвукового воздействия, позволяющий управлять его интенсивностью регулированием усилия прижима и скорости перемещения инструмента.

Ультразвуковая виброударная система с промежуточными бойками внедрена на ряде предприятий машиностроения со значительным экономическим эффектом при обработке сварных швов изделий.

Применение виброударного ультразвукового инструмента при обработке трубной стали 17ГТС обеспечило повышение коррозионной стойкости стали на 5 - 10%. При ремонте коррозионных участков газовых трубопроводов УУЗО оказало двойное действие: повышение коррозионной стойкости и упрочнение стали. В результате этого утонченные из-за коррозии стенки трубы после УУЗО восстанавливали свою прочность.

Пятая глава  диссертации посвящена исследованию влияния обработки ультразвуковым инструментом на вязкость и смачивающую способность эпоксидных смол и композиций на их основе, применяемых для изготовления полимерных композиционных материалов.

Ультразвуковая обработка эпоксидных смол и их композиций проводилась технологическим инструментом и при режимах, описанных в четвертой главе. Исследовалось влияние УУЗО на вязкость эпоксидных смол ЭД-16, ЭД-20, ЭД-22, ЭД-24.

Установлено, что для смолы ЭД-20 максимальное снижение вязкости наблюдается при обработке в течение =5Е15 мин., а более длительное (10-15мин) постоянство вязкости после УУЗО - при интенсивностях  обработки ультразвуковым инструментом = 15Е30 Вт/см2. Регрессионный анализ полученных результатов позволил установить эмпирическую зависимость вязкости η от интенсивности γ и времени обработки ультразвуковым инструментом  τ.

Минимальная вязкость сохраняется дольше, если обработку проводить при =30 Вт/см2 в течение =15 мин. Этот вывод был подтвержден также исследованием инфракрасных спектров обработанного олигомера. Таким образом в качестве оптимального был принят режим обработки ультразвуковым инструментом при =15 Е30 Вт/см2 в течение =5Е15 мин.

Увеличение времени обработки инструментом до 10-12 минут приводит к снижению вязкости смол, а более 20-22 минут - к увеличению. Наибольшее снижение вязкости наблюдалось у смолы ЭД-16 с большей молекулярной массой и с большим числом гидроксильных групп. Рост вязкости при обработке свыше 20 минут объясняется полимеризацией смолы. Вязкость смол ЭД-20 и ЭД-16 после  обработки ультразвуковым инструментом достаточно долго не возрастает до первоначальных значений вследствие более медленных релаксационных процессов.

Таким образом, установлено, что  обработка ультразвуковым инструментом более эффективна для эпоксидных олигомеров с большей молекулярной массой. Сохранение низкой вязкости в течение 20-50 мин после обработки вполне достаточно для пропитки наполнителем связующего и растекания клеев и покрытий. Последующее возрастание вязкости предотвращает стекание связующего и лакокрасочных материалов, а также вытекание клея из соединения.

Аналогичные исследования проводились на эпоксидных композициях.  В качестве отвердителей были выбраны порошковые  и жидкие вещества, имеющие различную активность по отношению к эпоксидным олигомерам. Исследовались следующие эпоксидные композиции: смола ЭД-24 - Диамет - Х (3,31 - дихлор - 4,41 - диаминодифенил); ЭД-22 - ДАДФМ (4,41 - диаминодифенил метан);Ц ЭД-16 - ПЭПА (полиэтиленполиамин); ЭД-8 - изо - МТГФА (изометилтетра - гидрофталевый ангидрид); Э-40 - УПЦ0633М (моноцианэтилдиэтилентриамин). Выбранное сочетание смол с отвердителем,  а именно, низковязкая смола с порошковым отвердителем, высоковязкая смола с низковязким отвердителем, объясняется лучшим растворением друг в друге.

Наибольший эффект снижения вязкости, как и в случае УчистыхФ олигомеров, наблюдался для композиции с высокомолекулярной смолой. Ускоренное возрастание вязкости после  обработки ультразвуковым инструментом композиций с высокоактивными отвердителями значительно ускоряет процессы растворения компонентов друг в друге.

Установлено, что вязкость обработанных ультразвуком композиций возрастает быстрее, чем вязкость необработанной композиции. Ускорение процесса гелеобразования наблюдается с увеличением времени УУЗО. Следовательно, изменением времени обработки возможно регулировать время гелеобразования композиций.

Исследовалось влияние интенсивности и времени обработки ультразвуковым инструментом на смачивающую способность олигомеров. Установлено, что характер изменения угла смачивания от времени обработки  аналогичен зависимости для вязкости = . Минимальное значение угла смачивания достигается в результате УУЗО при =45Е60 Вт/см2 и =10Е15 мин. Снижение после обработки, как и в случае с вязкостью, объясняется разрушением физических связей.

Оптимальным был принят режим обработки ультразвуковым инструментом  при =30 Вт/см2, =15 мин. В этом случае достигается максимальная продолжительность сохранения результата обработки.

Сравнительные исследования влияния обработки ультразвуковым инструментом  на смачивающую способность олигомеров проводились при нанесении их на подложки из фторопласта (Ф-4), полиэтилентерафталата (ПЭТФ) и полиметилметакрилата (ПММА) и измерении соответствующих значений угла смачивания.

Установлено, что в ряду олигомеров ЭД-24, ЭД-22, ЭД-20, ЭД-16 наблюдается уменьшение значений углов смачивания после применения  ультразвукового инструмента. Данный эффект можно объяснить увеличением молекулярной массы и числа гидроксильных групп в обработанном олигомере.

По результатам проведенных исследований был предложен способ снижения вязкости эпоксидных композиций и угла смачивания ими твердых поверхностей, новизна которого подтверждена патентом на изобретение.

Исследовалось влияние обработки ультразвуковым инструментом на пропитывающую способность олигомера ЭД-20 стекло- и базальтоволокон при определении высоты подъема и скорости пропитки. Установлено, что максимальный эффект достигается при обработки в течение 15 минут. Относительная высота подъема связующего в стекло- и базальтоткани увеличилась в 1,6-1,7 раза, а относительная скорость подъема - в 14 раз. Базальтовые волокна обладают несколько большой смачиваемостью по сравнению со стеклянными. Ультразвуковые воздействия практически не вызывали изменения поверхностного натяжения.

Таким образом, проведенные исследования показали, что обработка ультразвуковым инструментом позволяет значительно увеличить смачивающую и пропитывающую способности эпоксидного связующего. Кроме того использование ультразвукового инструмента способствует снижению числа пор, пузырьков, что также положительно влияет на физико-механические свойства пластиков, клеевых соединений и покрытий.

Известно, что увеличение свободной поверхностной энергии подложек увеличивает адгезию эпоксидных покрытий. С этой целью проводились экспериментальные исследования влияния обработки инструментом на свободную поверхностную энергию сталей и сплавов. Определение свободной энергии по углу смачивания тестовыми жидкостями показали для исследованных материалов некоторое ее уменьшение после обработки. Однако в ряде случаев наблюдалось значительное увеличение полярной составляющей, что может определять увеличение адгезионной способности.

В шестой главе приводятся результаты исследований применения виброударного ультразвукового инструмента для формирования физико-механических свойств полимерных композиционных материалов, клеевых соединений, покрытий и специальных свойств полимерных материалов.

Одним из основных требований к полимерным композиционным материалам является достаточная прочность. Проводились исследования прочности полимерных композиционных материалов из стекло- и базальтотканей, изготовленных на основе эпоксидных композиций ЭДЦ24 - Диамет - Х, ЭДЦ20 - ДАДФМ, ЭДЦ16 - ПЭПА, озвученных и без УУЗО.

Установлено, что у пластиков, полученных на основе обработанных ультразвуком композиций, наблюдается повышение прочностных характеристик. Предел прочности при растяжении увеличился на 30-35%, при изгибе - на 12-26%, при сдвиге - на 20-60%. Это явление можно объяснить пониженной вязкостью, улучшением смачивающей и пропитывающей способностей эпоксидных композиций после обработки ультразвуковым инструментом.

Актуальными для машиностроения и особенно для вертолето- и самолетостроения являются способы повышения прочности клеевых соединений.

На основе обработанных ультразвуком при установленных оптимальных режимах эпоксидных композиций были получены клеевые соединения системы металл-эпоксидная композиция - металл. В качестве металлов применялись сталь Ст3, титановый сплав ВТ1-0, алюминиевый сплав Д16. Клеевой композицией служила эпоксидная смола ЭД-20 с отвердителем диаминодифенилметаном. Сравнивалась прочность систем на основе эпоксидной композиции, необработанной и обработанной ультразвуком при интенсивности  =30 Вт/см2 в течение = 15 мин.

Исследования показали, что обработка ультразвуковым инструментом приводит к значительному повышению адгезионной прочности клея к поверхностям различных металлов. Прочность при равномерном отрыве увеличилась на 35-50%, при сдвиге - на 60-100%. Это можно объяснить улучшением смачивающей и затекающей способности клея после обработки. Низкие значения вязкости способствовали увеличению площади контакта между адгезивом и подложкой. Постепенное нарастание вязкости эпоксидной композиции после нанесения на металлическую поверхность уменьшало вытекание клея из соединения.

Проводились сравнительные исследования адгезионной прочности полимерных покрытий из обработанных ультразвуком и без обработки эпоксидных композиций ЭДЦ20ЦДАДФМ, ЭДЦ16ЦПЭПА, ЭЦ41ЦУПЦ0633М. Композиции толщиной 30-50 мкм наносились на поверхности металлических подложек из сплавов Д16, ВТ1Ц0, стали Ст3 и стальной фольги. Применение УУЗО увеличило адгезионную прочность покрытий на 10-15%. Это можно объяснить наблюдавшимся при нанесении лучшим растеканием покрытия. Ультразвуковая обработка композиции на 30-45% снизила остаточные напряжения покрытия, что гарантирует увеличение срока его службы. Проведенные исследования показали, что применение обработки ультразвуковым инструментом эпоксидных композиций улучшает также прочностные характеристики многослойных градиентных покрытий.

Ультразвуковая обработка компонентов композиции оказывает положительное влияние на ряд специальных свойств полимерных материалов.

Для придания полимерному материалу определенной окраски, например при изготовлении самолетов и вертолетов, в эпоксидные смолы перед отверждением вводят красители. Получение качественных структурно-окрашенных полимерных материалов имеет определенные технологические трудности. Предложен состав нового структурно-окрашенного полимера синего цвета. Применение обработки ультразвуковым инструментом при его изготовлении повышает светостойкость и относительную твердость. Лучшая диспергируемость компонентов способствует более равномерному распределению компонентов и более полному протеканию реакции отверждения.

В последние годы широкое применение в оптоэлектронике и волновой оптике находят оптические элементы с заданным пространственным распределением показателя преломления. К ним относятся, например, волокна с градиентным распределением показателя преломления по сечению. Предложен новый способ получения полимерных материалов на основе эпоксидных смол с градиентом показателя преломления. Исследовались две технологии приготовления - с обработкой ультразвуковым инструментом и без обработки. Применение ультразвукового инструмента приводило к лучшему диспергированию частиц компонентов и, в конечном счете, к повышению прозрачности материалов.

Для защиты миниатюрных деталей на поверхности электронных печатных плат от механических, электрических и прочих воздействий на них методом заливки наносится полимерное покрытие. Такие покрытия должны быть механически и термически прочными. Разработан новый способ получения электроизоляционного компаунда на основе эпоксидных смол. Исследовались также два технологических процесса приготовления компаунда с применением ультразвукового инструмента и без применения. Воздействие ультразвука на эпоксидную композицию положительно влияло на все стадии процесса и, в конечном счете, привело к улучшению таких важных параметров отвержденного полимера, как условная ударная вязкость, огнестойкость.

Таким образом, как показали проведенные исследования, ударная ультразвуковая обработка является универсальным и эффективным способом повышения прочностных свойств полимерных композиционных материалов, клеевых соединений и покрытий, а также формирования специальных свойств полимерных материалов.

Основные научные результаты и выводы

1. Разработаны теоретико-экспериментальные основы работы виброударных ультразвуковых технологических систем и их применения для формирования эксплуатационных свойств металлических и композиционных материалов изделий машиностроения, включающие:

• математические модели работы виброударных ультразвуковых механизмов;
• комплексные программы расчета математических моделей виброударных ультразвуковых систем;
• виброударный ультразвуковой инструмент;
• метод мониторинга и управления работой виброударного ультразвукового механизма;
• технологические применения виброударных ультразвуковых систем.

2. Разработаны математические модели динамики работы виброударных ультразвуковых систем, выполненных по схемам с одним активным и одним пассивным вибраторами и с промежуточными бойками, рассматривающие в комплексе резонансные свойства ультразвуковых технологических систем с двумя степенями свободы с учетом нелинейности технологической нагрузки и процесс поверхностного пластического деформирования материала. Это позволило значительно повысить эффективность работы виброударных ультразвуковых систем.

3. Предложена новая, подтвержденная патентом конструкция ультразву-кового виброударного инструмента с многобойковой насадкой.

4. Разработан метод мониторинга работы виброударного ультразву-кового механизма с промежуточными бойками по интенсивности воздействия инструмента на поверхность обрабатываемого изделия, позволяющий управлять процессом.

5. Виброударная ультразвуковая система с одним активным и одним пассивным инструментом-волноводом применена для микроковки и упрочнения лезвий ножей. Определены зависимости микротвердости, степени наклепа, структуры материала вдоль формируемого клина и на острие лезвия. Установлено, что УУЗО увеличивает твердость кромки лезвия на 15-40% по сравнению с традиционной заточкой абразивным инструментом. Наибольший эффект применения УУЗО получен для нержавеющей стали аустентного класса, не упрочняемой термообработкой. Микротвердость поверхности после УУЗО достигала значений микротвердости мартенситых сталей после закалки.

6. Виброударный ультразвуковой инструмент с промежуточными бойками применен для снятия остаточных сварочных напряжений в стальных заготовках. Проведены комплексные исследования остаточных напряжений стальной сварной конструкции методами полного освобождения и замеров прогибов. Установлено, что после УУЗО растягивающие напряжения на глубине 10-30 мкм преобразуется в сжимающие 40-70 МПа. Время эффективного действия УУЗО имеет пороговое значение.

Методом магнитной памяти установлено уменьшение внутренних напряжений в 1,5 раза после УУЗО в сварном шве длиной 1,5 м штуцера шарового резервуара газгольдера.

7. Установлено, что применение виброударного ультразвукового инстру-мента при обработке трубной стали 17ГТС обеспечивает повышение коррозионной стойкости стали на 5 - 10%. При ремонте коррозионных участков газовых трубопроводов УУЗО оказывает двойное действие: повышение коррозионной стойкости и упрочнение стали. В результате этого утонченные из-за коррозии стенки трубы после УУЗО восстанавливали свою прочность.

8. Исследованиями установлено, что применение виброударного ультра-звукового инструмента для обработки полимерного связующего обеспечивает повышение прочностных характеристик композиционных материалов, покрытий, клеевых соединений и формирование специальных свойств полимерных материалов. Новизна способов подтверждена патентами на изобретения.

9. Результаты исследований с экономическим эффектом в объеме 1,2 млн. рублей внедрены в ОАО Казанское моторостроительное производственное объединение, ООО Менделеевсказот г. Менделеевск, ОАО Производственное объединение ЕАЗ г. Елабуга, ЗАО Мелита-К г. Казань, ОАО СеверНИПИгаз г. Северодвинск; приняты к внедрению в ОАО Казанский вертолетный завод. Результаты работы применяются так же в учебном процессе КГТУ им. А.Н. Туполева и Елабужского филиала КГТУ.

Основные положения и научные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

Монография

1. Ганиев М.М. Повышение эксплуатационных характеристик полимерных  композиционных материалов ультразвуковой обработкой. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2007. 83 с.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

2. Ганиев М.М., Магсумова А.Ф., Амирова Л.М. Влияние ультразвуковой обработки на технологические свойства эпоксидного олигомера // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2005. № 2. С. 8-10.
3. Ганиев М.М., Вагапов И.К. Шинкарёв А.С. Исследование влияния ультразвуковой ударной обработки на значение и распределение остаточных напряжений в сварной заготовке // Известия вузов. Авиационная техника. 2005. № 2. С. 56-59.
4. Ганиев М.М. Исследование технологических свойств эпоксидных компози-ций, обработанных ультразвуком // Материаловедение. 2006. № 8. С 41-44.
5. .Ганиев М.М., Шестаков С.Д., Лисин В.Н. Влияние ультразвуковой ударной обработки на коррозионную стойкость стали // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2007. № 3. С. 12-14.
6. Ганиев М.М., Вагапов И.К. Динамическая модель виброударной обработки сварных соединений ультразвуковым инструментом с промежуточным бойком // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2007. № 2. С. 69-76.
7. Ганиев М.М. Повышение прочностных свойств композиционных полимерных материалов применением ультразвуковой обработки эпоксидного связующего // Известия вузов. Авиационная техника. 2007. № 4. С. 73-75.
8. Ганиев М.М. Динамика ультразвукового ударного инструмента с проме-жуточным бойком // Известия вузов. Авиационная техника. 2008. № 1. С. 56-62.
9. Ганиев М.М. Влияние ультразвуковой обработки на физико-механические свойства клеевых соединений и эпоксидных композиций // Известия вузов. Авиационная техника. 2008. № 2. С. 78-79.
10. Вагапов И.К, Ганиев М.М., Шинкарев А.С. Теоретическое и экспериментальное исследование динамики ультразвуковой виброударной системы с промежуточным бойком // Известия вузов. Машиностроение. 2008. № 5. С. 3-24.
11. Вагапов И.К, Ганиев М.М., Шинкарев А.С. Экспериментальное исследование ударной обработки ультразвуковым инструментом с промежуточным бойком // Известия вузов. Авиационная техника. 2008. № 4. С. 41-44.

Патенты

12. Пат. 2171268 РФ. МКИ С 08 L 63/00. Структурно окрашенный эпоксидный полимер / Л.М. Амирова, М.М. Ганиев, А.А. Прохорова,  Э.В. Сахабиева. Заявл. 03.08.1999.
13. Пат. 2283695 РФ. МПК ВО 1719/10, G05fl 24/00, С 08G 59/00. Способ ультразвуковой обработки эпоксидных олигомеров / Л.М. Амирова,  А.Ф. Магсумова, М.М. Ганиев. Заявл. 06.09.2004.
14. Пат. 2222430 РФ. С1 7 В 29 D 11/00. Способ получения полимерных материалов с градиентом показателя преломления для светофокусирующих элементов / Л.М. Амирова, К.А. Андрианова, В.П. Фомин, Р.Х. Макаева, М.М. Ганиев. Заявл. 27.01.2004.
15. Пат. 2194731 РФ. С2 7 С 09 D 5/08, 163/02. Состав для получения градиентных покрытий / Л.М. Амирова, Л.Р. Гильманов, А.А. Прохоров, М.М. Ганиев. Заявл. 20.12.2002.
16. Пат. 2003129751/04(031768) РФ. Способ получения электроизоляционного компаунда / Л.М. Амирова, А.Ф. Магсумова, P.P. Амиров, М. М. Ганиев, А.Р. Шаяхметова. Заявл. 6.10.2003.
17. Пат. 2259912 РФ. Ультразвуковой виброударный инструмент /  С.Д. Шестаков, М.М. Ганиев. Заявл. 26.02.2004.

Статьи в других журналах и материалы научно-технических конференций

18. Vagapov I.K., Ganiev M.M., Shinkarev A.S. Forced vibrations of two nonlinearly connected solid waveguides under static load // Journal of Sound and Vibration. 2007. № 302. P. 425-441.
19. Amirova L.M., Ganiev M.M., Magsumova A. Investigation of surface and interfacial ^ properties of modified epoxy films formed in different condition // 2-nd International Symposium on "Reactive Polymers in Inhomogeneous Systems in Melts and at Interfaces". September 28 - October 1 2003 - Drezden, Germany, 2003. P. 18.
20. Ганиев М.М., Вагапов И.К., Шинкарёв А.С. Исследование изменения остаточных напряжений после ультразвуковой обработки в сварочных швах // Межвуз. сб. науч. ст. Вопросы вибрационной технологии. Ростов-на-Дону. 2003.С. 138-139.
21. Ганиев М.М., Вагапов И.К. Использование ультразвуковой обработки для снижения остаточных напряжений в сварочных швах // Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения: Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф., 25-27 сентября 2003 г. Орёл, 2003. С. 530-531.
22. Ганиев М.М., Вагапов И.К. Метод ультрозвуковой обработки для снижения остаточных напряжений в сварной заготовке // Использование ультразвуковой обработки для снижения остаточных напряжений в сварочных швах: Тез. докл. XI Междунар. науч.-техн. конф., в г. Севастополе,  13-18 сентября 2004 г. В 4 т. Донецк: ДонНТУ, 2004. Т.З. С. 249-250.
23. Ганиев М.М. Исследования влияния ультразвуковой упрочняющей обработки на долговечность и трещиностойкость дисков турбин ГТД // Машиностроение и техносфера XXI века: Тез. докл. XII Междунар. науч.-техн. конф., в г. Севастополе, 12-17 сентября 2005 г. -Донецк: ДонНТУ, 2005. Т.1. С. 184-185.
24. Ганиев М.М., Вагапов И.К. Виброударная обработка ультразвуковым инструментом с целью повышения эксплуатационных свойств // Фундаментальные проблемы машиноведения: Новые технологии и материалы: Тез. докл. Всеросс. науч.-техн. конф. Нижний Новгород, 2006. С.25.
25. Ганиев М.М., Вагапов И.К., Шинкарёв А.С. Динамика виброударной обработки сварных соединений ультразвуковым инструментом с промежуточным бойком // Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем: Тез. докл. XV симпозиума. Москва-Звенигород, 2006. С. 52-55.
26. Ганиев М.М., Вагапов И.К. Моделирование ультразвуковой виброударной системы с промежуточным бойком // Машиностроение и техносфера XXI века: Тез. докл. XIV Междунар. науч.-практич. конф. в г. Севастополе 17-22 сентября 2007 г. В 5 т. Донецк: ДонНТУ, 2007. Т.1. С. 178-182.
27. Ганиев М.М., Гильманов Л.Р., Амирова Л.М. Градиентные покрытия на основе эпоксидных олигомеров и глицидиловых эфиров кислот фосфора // Тепловые двигатели в XXI веке: Тез. докл. Всерос. науч. конф. Казань, 1999. С.135-137
28. Ганиев М.М., Магсумова А.Ф., Андрианова К.А. Использование ультразвука для получения полимеров на основе ограниченно совместимых полимеров // Физиохимия процессов переработки полимеров: Тез. докл. II Всерос. науч. конф. Иваново, 2002. С. 88-89.
29. Ганиев М.М., Муратаев Ф.И. Моделирование и прогнозирование прочности и долговечности высоконагруженных элементов по критериям сопротивления усталости // Современные проблемы машиностроения: Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. Гомель: ГПИ, 1999. С. 39-45.
30. Ганиев М.М., Вагапов И. К. Моделирование виброударной обработки ультра-звуковым инструментом с промежуточным бойком // Прогрессивные техно-логии и системы машиностроения. Донецк: ДонНТУ. 2005. Вып. 32. С. 55-64.
31. Комплексная программа для расчета амплитудно-частотных характеристик при виброударной обработке. Свидетельство № 2006611421. Дата поступления 13 марта 2006 г. Зарегистрировано в реестре 26 апреля 2006 г.
32. Моделирование резонансных режимов при ультразвуковой обработке материалов двухсторонними ударными инструментами. Свидетельство  № 2006611616. Дата поступления 28 марта 2006 г. Зарегистрировано в реестре 12 мая 2006 г.
33. Амирова Л.М., Галимов Э.Р., Ганиев М.М., Сахабиева Э.В. Физико-химия поверхностей: Учебное пособие. Казань: Изд-во Казан. гос. техн.  ун-та им. А.Н. Туполева, 1999.82 с.
34. Амирова Л.М., Ганиев М.М., Амиров P.P. Композиционные материалы на основе эпоксидных олигомеров. Учебное пособие. Казань: ОАО Новое знание, 2002. 167 с.
35. Ганиев М.М., Вагапов И.К. Экспериментальное исследование динамики ультразвукового ударного инструмента с промежуточным бойком // Машиностроение и техносфера XXI века: Тез. докл. XV Междунар. науч.-практич. конф. в г. Севастополе 15-20 сентября 2008 г. В 4 т. Донецк: ДонНТУ, 2008, Т.1.С. 219-223.
36. Вагапов И.К, Ганиев М.М. Теоретическое и экспериментальное исследование виброударной обработки ультразвуковым инструментом с промежуточным бойком  // Нелинейные колебания механических систем: Тр. VIII Всеросс. науч. конф. Нижний Новгород, 22-26 сентября 2008г. В 2 т. Нижний Новгород: Диалог культур, 2008. Т.2. С. 67-71.
37. Вагапов И.К., Ганиев М.М., Шинкарев А.С. (Елабуга) Эксперимен-тальное исследование ударной обработки ультразвуковым инструментом с промежуточным бойком // Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем DYVIS-2009 Сб. тр. XVI симпозиума. МоскваЦЗвенигород, 2009, С. 93Ц96.
38. Вагапов И.К., Ганиев М.М., Шестаков С.Д. Использование ультразвуковой ударной обработки для повышения коррозионной стойкости стали // Машиностроение и техносфера XXI века: Сб. тр. XVI междунар. науч.-техн. конф. в г. Севастополь 14Ц19 сентября 2009г. В 4 т. Донецк: ДонНТУ, 2009, Т.1. С.115Ц117.
39. Вагапов И.К., Ганиев М.М., Шинкарев А.С. Исследование влияния ультразвуковой обработки на технологические свойства материала // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-2009: Материалы V всерос. науч.-технич. конф. в г. Казань, 12Ц13 октября 2009г. в 2 т. Казань: КГТУ им. А.Н. Туполева, 2009, Т.2 С.389Ц393.
40. Vagapov Ildar, Ganiev Mahmut Dynamics of an ultrasonic impact tool with an intermediate striker // The sixteenth International Congress on Sound and Vibration Krakow, 5Ц9 july 2009 Proceedings of the ICSV 16 on, 2009.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям