Кинематические характеристики процесса ультразвуковой поверхностной обработки

Цель – исследование кинематических характеристик процесса ультразвукового поверхностнопластического деформирования с направлением ввода колебаний по касательной к обрабатываемой поверхности для прогнозирования возможности его применения на деталях из металлов и сплавов различной твердости. Описание кинематических параметров (траектория, скорость, ускорение) процесса ультразвукового поверхностно-пластического деформирования рассматривалось в прямоугольной системе координат. Получены аналитические зависимости, определяющие длину траектории, величины результирующей скорости и ускорения как функции от составляющих видов движений (вращательного, поступательного, колебательного). На основании полученных уравнений и их графических решений установлено, что при ультразвуковом поверхностно-пластическом деформировании перемещение индентора осуществляется по сложной траектории с переменной по величине скоростью и ускорением. Показано, что сообщение ультразвуковых колебаний индентору обусловливает сложный характер его движения, существенно отличающийся от метода алмазного выглаживания. При этом наблюдается изменение параметров процесса (скорости и ускорения) по циклическому (синусоидальному) закону, периодичность которого зависит от частоты ультразвуковых колебаний, что должно сказаться на итоговом состоянии обработанной поверхности. Анализ полученных результатов позволил установить, что смена направления ввода ультразвуковых колебаний (с нормального на касательное) дает возможность изменить условие контактирования с циклического на постоянное, что оказывает влияние на значение деформирующего усилия, возникающего в процессе обработки. Выявлено, что угол ввода колебаний относительно вектора главной скорости является технологическим параметром, существенно влияющим на кинематические характеристики. Проведенные исследования позволили сделать предположение о возможности применения ультразвукового поверхностнопластического деформирования по касательной схеме для деталей, выполненных из металлов и сплавов различной твердости.

1. Лещинский В. М., Рябичева Л. А., Механические свойства деформированной инструментальной стали // Вестник машиностроения. 1993. № 3. С. 88–94.

2. Муханов И. И. Ультразвуковая упрочняющечистовая обработка стали и чугуна // Вестник машиностроения. 1968. № 6. С. 51–54.

3. Хлыбов А. А., Кувшинов М. О. Исследование влияния ультразвуковой обработки на структуру и свойства поверхностного слоя конструкционной стали 30ХГСА // Технология металлов. 2021. № 1. С. 12–16. https://doi.org/10.31044/1684-2499-2021-0-1-12-16.

4. Хлыбов А. А., Кувшинов М. О. Исследование структуры поверхностного слоя стали 03Н18К9М5Т после ультразвуковой обработки // Физическая мезомеханика. 2019. Т. 22. № 6. С. 100–106. https://doi.org/10.24411/1683-805X-2019-16009.

5. Rakhimyanov K. M., Semenova I. S. Surface state control by ultrasonic plastic deformation at the final machining stage // Materials and Manufacturing Processes. 2016. Vol. 31. Iss. 6. P. 764–769. https://doi.org/10.1080/10426914.2015.1058948.

6. Семенова Ю. С., Самуль А. Г., Мажуга С. В. Применение ультразвукового поверхностного пластического деформирования при модификации поверхностного слоя // Упрочняющие технологии и покрытия. 2020. Т. 16. № 5. С. 200–204.

7. Li Meiyan, Zhang Qi, Han Bin, Song Lixin, Li Jianlong, Yang Jie. Investigation on microstructure and properties of AlxCoCrFeMnNi high entropy alloys by ultrasonic impact treatment // Journal of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 816. Р. 152626. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152626.

8. Kumar S., Wu C. S., Padhy G. K., Ding W. Application of ultrasonic vibrations in welding and metal processing: a status review // Journal of Manufacturing Processes. 2017. Vol. 26. P. 295–322. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2017.02.027.

9. Zhou Changping, Jiang Fengchun, Xu De, Guo Chunhuan, Zhao Chengzhi, Wang Zhenqiang, et al. A calculation model to predict the impact stress field and depth of plastic deformation zone of additive manufactured parts in the process of ultrasonic impact treatment // Journal of Materials Processing Technology. 2020. Vol. 280. Р. 116599. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116599.

10. Gujba A. K., Ren Zhencheng, Dong Yalin, Ye Chang, Medraj Mamoun. Effect of ultrasonic nanocrystalline surface modification on the water droplet erosion performance of Ti–6Al–4V // Surface and Coatings Technology. 2016. Vol. 307. Part A. P. 157–170. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.08.054.

11. Zhao Jingyi, Dong Yalin, Ye Chang. Optimization of residual stresses generated by ultrasonic nanocrystalline surface modification through analytical modeling and data-driven prediction // International Journal of Mechanical Sciences. 2021. Vol. 197. P. 106307. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2021.106307.

12. Kim Min-seob, Oh Wook-jin, Baek Gyeong-yoon, Jo Yeong-kwan, Lee Ki-yong, Park Sang-hu, et al. Ultrasonic nanocrystal surface modification of high-speed tool steel (AISI M4) layered via direct energy deposition // Journal of Materials Processing Technology. 2020. Vol. 277. Р. 116420. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116420.

13. Zhao Weidong, Liu Daoxin, Chiang Richard, Qin Haifeng, Zhang Xiao Hua, Zhang Hao, et al. Effects of ultrasonic nanocrystal surface modification on the surface integrity, microstructure, and wear resistance of 300M martensitic ultra-high strength steel // Journal of Materials Processing Technology. 2020. Vol. 285. Р. 116767. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116767.

14. Пегашкин В. Ф., Осипенкова Г. А. Выглаживание поверхности отверстий с использованием УЗ крутильных колебаний // Научно-технический вестник Поволжья. 2019. № 4. С. 69–72.

15. Пегашкин В. Ф., Осипенкова Г. А., Кузнецов М. С. Модификации поверхности деталей из сплавов цветных металлов // Научно-технический вестник Поволжья. 2019. № 7. С. 51–53.

16. Киселев Е. С., Степчева З. В. Эффективность касательно-осевых наложений ультразвуковых колебаний в процессе алмазного выглаживания стальных заготовок // Упрочняющие технологии и покрытия. 2007. № 7(31). С. 34–38.

17. Rakhimyanov K., Gileta V., Samul A. Kinematics of ultrasonic processing // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2020. Vol. 971. No. 2. Р. 022054. https://doi.org/10.1088/1757-899X/971/2/022054.

18. Rakhimyanov K., Gileta V., Samul A. Ultrasonic surface hardening of low carbon steels and non-ferrous alloys // Innovations in Mechanical Engineering: X International Scientific and Practical MATEC Web Conference. 2019. Vol. 297. Р. 05005. https://doi.org/10.1051/matecconf/201929705005.

19. Рахимянов Х. М., Гилета В. П., Самуль А. Г. Обеспечение микрогеометрического состояния поверхности деталей, выполненных из пластичных материалов, ультразвуковой обработкой // Упрочняющие технологии и покрытия. 2020. Т. 16. № 6. С. 256–259.

20. Одинцов Л. Г. Финишная обработка деталей алмазным выглаживанием. М.: Изд-во «Машиностроение», 1981. 160 с.