HomeОбработка стали › Вибрационная обработка металлов давлением

Вибрационная обработка металлов давлением

Вибрационная обработка металлов давлениемВибрационные методы интенсификации технологических процессов находят все большее применение в промышленности. Вибрации и сотрясения отливок во время затвердевания измельчают структуру металла, облегчают дегазацию слитка, изменяют характер ликвации, повышают механические свойства, ускоряют кристаллизацию, вызывают в отливках из чугуна измельчение графитовых включений, способствуют заполнению тонких ребер в процессе литья, повышают плотность отливок и др.

 

Полезное применение вибрация нашла в порошковой металлургии, благодаря чему удалось получить заготовки на 10-20% плотнее, чем при обычном прессовании высоким статическим давлением, и снизить усилия прессования. Использование вибрации при обработке металлов давлением расширяет технологические возможности пластической деформации.

 

Вибрационное нагружение снижает напряжение деформирования, увеличивает пластичность металлов; снижает остаточные напряжения, обеспечивает более равномерное распределение деформаций и напряжений, способствует получению более однородной и мелкозернистой структуры. Такое влияние вибрации на технологические и механические свойства металлов объясняется уменьшением как внутренних, так и внешних сил сопротивления деформации, наиболее значительной частью которых является контактное трение.

 

Принцип вибрационной обработки металлов давлением показан на рис. ПО. Пуансон (рис. ПО, а) давит на матрицу и вибрирует в направлении продольной оси под действием вибратора. При вибрационной обработке металлов применяют вибраторы различной частоты. Диапазон колебаний включает область инфразвуковых и звуковых колебаний до 16-20 кгц и область ультразвука (до 500 Мгц).

Практически верхний предел ультразвуковых колебаний соответствует частоте тепловых колебаний молекул вещества. Существуют различные типы вибровозбудителей — гидравлические, пневматические, электромагнитные, электромеханические, гидродинамические и магнито-стрикционные. Так, например, электромеханические инерционные вибровозбудители с приводом от асинхронных двигателей основаны на принципе возникновения центробежной силы при вращении неуравновешенной массы (дебаланса).

 

Они обеспечивают возможность получения больших кинетических моментов и сравнительно высоких частот при устойчивости и надежности работы. В установившемся режиме основная часть мощности привода вибровозбудителя расходуется на преодоление трения. При использовании вибраций одной из основных проблем является устранение шума, основным источником которого служат подшипники, передача, амортизаторы и др.

 

Вибровозбудитель представляет собой массивную стальную блок-плиту, в горизонтальных расточках которой установлены на подшипниках качения вибровалы симметрично относительно оси пресса. Каждый вибровал приводится отдельным асинхронным двигателем через скоростную плоскоременную передачу. Валы вращаются навстречу друг другу.

 

Жесткость конструкций виброблока обеспечивает синхронизацию вращения валов и строго вертикально направленные колебания. Виброблок ставится на упругие амортизаторы. Суммарная жесткость амортизаторов определяется таким образом, чтобы собственная частота вибрируемой массы была значительно меньше минимальных возбуждаемых частот во избежание появления резонанса и передачи вибрации на фундамент.

 

Кроме того, амортизаторы должны выдерживать рабочее усилие пресса. В практике применяют пружинные, а также надежные в работе гидравлические закрытые амортизаторы с постоянным объемом жидкости. В качестве рабочей жидкости используется цилиндрическое масло. Ступенчатое регулирование частоты вибратора от 60 до 200 гц осуществляется сменными шкивами, а регулирование амплитуды от 0,06 до 0,5 мм достигается сменой дебалансов.

 

Электромеханический вибратор использован также при создании вибрационного пресса, в котором статическое усилие от гидравлической системы пресса обеспечивает смыкание частей штампа, а вибрационноенагружение создается вибратором дебалансового типа. Вибратор передает колебательное движение штоку, проходящему через верхнюю тарверсу пресса. Шток ударяет по верхней половине штампа, создавая дополнительную пульсирующую нагрузку при штамповке.

 

Электромагнитный вибратор представляет собой электромагнит переменного тока или постоянного тока с прерывателем и прикрепленной к электромагниту рабочей частью.

У гидравлических вибраторов пульсация рабочей жидкости создается путем воздействия на плунжер эксцентриковым валом.

 

На некоторых типах, гидравлических прессов можно осуществлять вибрационную обработку включением в цепь вибрационного клапана. Одним из способов является получение вибрации с помощью гидравлического вибратора, генератором гидравлических импульсов в котором служит винтовой насос.

 

Масло, захватываемое вращающимися винтами, нагнетается по трубопроводу в полость цилиндра и создает давление на поршень, вызывая этим смещение инструмента. Выступы на вращающихся винтах открывают в обойме отверстие, вследствие чего масло сбрасывается в резервуар и давление на поршень частично снижается. Затем масло вновь нагнетается в полость цилиндра, и далее работа происходит в той же последовательности.

 

Гидродинамическая вибрация основана на использовании электрогидравлического эффекта. Это явление заключается в том, что при создании внутри объема жидкости специально сформированного импульса электрического разряда в зоне последнего развиваются весьма высокие давления, которые можно широко использовать в практических целях. При увеличении мощности источников питания создается возможность многоимпульсного нагружения.

 

Идея технологического применения деформирования с помощью импульсных электромагнитных полей основывается на использовании сил электромеханического взаимодействия между вихревыми токами, наведенными, например, в стенках обрабатываемой трубной заготовки при пересечении их силовыми магнитными линиями импульсного магнитного поля и самим магнитным потоком импульса.

 

Если оправка, на которой осуществляется обжатие, выполнена из металла, то время деформации должно быть меньше времени проникновения магнитного поля через стенку изделия. При невыполнении этих условий образуется «магнитная подушка» между оправкой и изделием. Образование «магнитной подушки» вызывает противодавление и приводит к обратному эффекту (при обжиме -к раздаче, при раздаче — к обжиму). Предотвратить «магнитную подушку» можно путем создания колебательной магнитной пульсации вместо магнитной пульсации, направленной в одну сторону. Для этого производят изменение разряда синусоидально во времени.

 

Для возбуждения высокочастотных колебаний используют ультразвуковой генератор, мощность которого передается к магнитострикционному преобразователю. Свойствами магнитострикции, т. е. изменения геометрических размеров под действием магнитного поля, обладают ферромагнитные материалы — железо, кобальт, никель, сплавы на их основе и др. С повышением температуры магнитострикционный эффект уменьшается и при температуре, соответствующей точке Кюри, становится равным нулю. Наилучшим материалом является пермендюр, точка Кюри которого соответствует 958° С, а частота 20-60 кгц.

 

Основными параметрами ультразвуковых волн являются: частота, длина волны и скорость ее распространения. Соотношение между этими величинами выражается уравнением

Ультразвуковая волна короче звуковой. Малой длиной ультразвуковых волн можно объяснить сходство в свойствах ультразвуковых и световых волн. Ультразвуковые волны, так же как и световые, не рассеиваются при распространении, а образуют узкие пучки. Как и световые лучи, они подчиняются законам геометрической оптики, могут отражаться, преломляться и фокусироваться.

 

Скорость распространения ультразвуковых колебаний в разных средах различна и определяется упругими свойствами среды и ее плотностью. На скорость распространения ультразвуковых волн влияют такие факторы, как температура, давление, наличие примесей и др. Использование ультразвуковых колебаний в промышленных целях ограничивается существующими в настоящее время мощностями ультразвуковых установок.

 

Циклическое нагружение приводит к образованию более широких и более коротких полос скольжения, т. е. сдвиг происходит одновременно по значительно большему числу плоскостей и при напряжениях меньших, чем статический предел упругости. Под влиянием пульсирующих ударов в каждый момент отрыва инструмента от металла или ослабления контактирующих сил происходит перераспределение смазки адсорбционного слоя, роль которого может выполнять даже воздух.

 

Поэтому вибрационный характер приложения нагрузки снижает контактное трение и усилие деформации. Применение указанного нагружения тем эффективнее, чем больше отношение площади поперечного сечения к высоте образца и чем больше коэффициент трения. Одной из причин уменьшения усилия деформирования является также возникновение локальной усталости. В условиях вибронагружения пластические деформации относительно небольшой величины сосредоточивается в большом количестве микрообъемов.

 

Одним из условий обеспечения эффективности вибрационного нагружения является оптимальное соотношение амплитуд нагружения и разгрузки. Относительное перемещение инструмента и металла, по мнению некоторых авторов, необходимо поддерживать в пределах 0,01-0,005 мм/цикл.

 

При максимальной амплитуде разгрузки коэффициент контактного трения уменьшается до значения 0,05. Таким образом, в процессах, где смазка является нежелательной или трудноудерживаемой, ее может заменить вибрация. Так как с увеличением коэффициента вибрации уменьшается контактное трение, то деформация поверхностных слоев идет более интенсивно.

 

Вибрационное нагружение оказывает влияние на структуру металла. При вибрационном нагружении образцов из алюминиевых сплавов и легированных сталей уменьшаются остаточные напряжения II рода; распределение напряжений I и II рода происходит более равномерно. Релаксация (ослабление) остаточных напряжений в зернах, имеющих наибольший предел текучести, в момент разгрузки и в процессе повторного нагру-жения принимается в качестве причин появления дополнительной деформации, т. е. послетечения.

 

Явление послетечения заключается в том, что образец получает некоторое удлинение после снятия растягивающей нагрузки. Вибрационная нагрузка оказывает положительное влияние на получение однородной и мелкозернистой структуры металла при последующей рекристаллизации.

 

Опыты с монокристаллами металлов, подвергнутых пластической деформации и одновременному периодическому воздействию ультразвуковых волн в процессе на-гружения, показали, что напряжение деформации понижается каждый раз на 20-40%.

 

Наложение ультразвукового поля снижает прочностные характеристики металлов, благодаря чему обработка металлов давлением облегчается. Атомы металла получают дополнительные колебания, возрастают амплитуды колебаний, ослабляются межатомные связи и увеличивается пластичность, подобно явлениям, происходящим при нагревании. В настоящее время показано, что на деформацию с применением ультразвука затрачивается больше энергии, чем на нагрев металла.

 

Этот повышенный расход энергии объясняется повышенным поглощением волновой энергии дефектами решетки (дислокации, фазовые границы, межзеренные границы и т. д.).

Уменьшение сил трения при обработке с ультразвуком относится к поверхностным эффектам. Существует также и объемный эффект. Он связан с увеличением пластичности металла под воздействием ультразвука.

 

Исследователи приписывают этот эффект появлению, кроме статических напряжений, динамических напряжений, которые суммируются со статическими в узлах упругих волн. Ультразвуковые колебания как бы «поднимают» дислокацию из так называемых «потенциальных ям», в которых они находятся благодаря каким-либо закреплениям (вакансии, меж-узельные атомы), и продолжают свое движение под воздействием ультразвукового поля. Все это вместе взятое способствует облегчению движения дислокаций и пластическому формоизменению металла.

 

Одной из простых технологических операций, которую можно осуществить с помощью вибрации, является осадка цилиндрических образцов. Как показано на рис. 112, усилие цилиндрического образца из стали марки Ст.З при температуре 1100° С при статическом нагружении выше, чем при вибрационном. Вибрационное нагружение обеспечивает более интенсивное течение металла по контактной поверхности осаживаемого образца с инструментом; создается более однородная структура, уменьшается неравномерность деформации.

 

Образцы, деформированные в ультразвуковом поле малой интенсивности, имеют бочкообразность, на 30- 40% меньшую, чем образцы, деформированные без применения ультразвука. Объемная штамповка с применением вибрации используется для получения лопаток из специальных сплавов. Штамповка осуществляется при температуре заготовок 480° С и штампов 410° С.

 

Четырехвальный шестеренчатый дебалансный вибратор, посаженный на верхний конец дополнительного штока, проходящего через подвижную траверсу, оказывает виброударное воздействие на предварительно сжатый силовыми цилиндрами штамп с заготовкой. Сочетание статической и вибрационной нагрузок способствует увеличению скорости деформации при минимальном обжатии за каждый удар и тем самым уменьшает потребную мощность и увеличивает точность поковок.

 

Значительно повышается пластичность металла и уменьшается наклеп. Частота колебаний штока составляет 16-21 гц и амплитуда — до 8 мм. Вибрационное нагружение улучшает заполняемое ручья штампа. Штамповки лопаток получили с припуском непосредственно под полировку. Вибрационное нагружение благоприятно сказывается на процессе чеканки, особенно тонких изделий. Вибрационная чеканка повышает точность размеров, характеризующуюся величиной выпуклости торцовой поверхности образца, примерно на 50%.

 

В процессах вытяжки листового материала вибрация накладывается на пуансон, матрицу и складкодержатель.\’При этом наблюдается уменьшение усилия деформирования и обрывов, увеличение коэффициента вытяжки и точности изделий. Для вибропрессования используют листоштамповочный пресс, оборудованный вибратором, создающим колебания частотой 40 гц и амплитудой 0,1 мм.

 

Использование ультразвука при волочении показало эффективность этого процесса. Усилие волочения с применением ультразвука составляло 30-60% от усилия Еолочения без применения ультразвука. Ультразвуковые колебания увеличивают пластичность протягиваемой проволоки примерно на 30-35% и улучшают механические свойства. Предел прочности проволоки после волочения в ультразвуковом поле на 10- 15% ниже, чем предел прочности после обычного волочения.

 

Применяя вибрацию в процессах обработки металлов давлением, необходимо учитывать наряду с положительными сторонами и недостатки метода. К ним относятся прежде всего повышенный расход энергии на деформацию, частичное разупрочнение материала рабочего инструмента, ухудшение работы технологического оборудования вследствие вибрации и др. Поэтому, определяя технологические режимы получения изделий с применением вибродеформации, следует сопоставлять эффективность метода как по отдельным операциям, так и процесса в целом.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.