автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Ультразвуковые технологии повышения эксплуатационных свойств изделий транспортного машиностроения

На правах рукописи

ФАТЮХИН Дмитрий Сергеевич

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ИЗДЕЛИЙ ТРАНСПОРТНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 6 ОКТ 2014

МОСКВА 2014

005553460

005553460

Работа выполнена на кафедре «Технология конструкционных материалов» ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)».

Защита состоится 23 декабря 2014 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.03 ВАК России при ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125829, Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) и на сайте

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета. Телефон для справок: +7-499-155-93-24.

Ученый секретарь диссертационного совета

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», заведующий кафедрой «Дизайн», Васин Сергей Александрович доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет»,

профессор кафедры «Физика» Пугачев Сергей Иванович доктор технических наук, доцент, помощник генерального директора ОАО «345 Механический завод», Меделяев Игорь Алексеевич «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) «МАИ»

Автореферат разослан

доктор технических наук, профессор

Петрова Л. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Постоянно возрастающие требования к надежности, экономичности и экологичности транспортной техники диктуют необходимость создания и внедрения новых эффективных энерго- и ресурсосберегающих технологий и оборудования на всех этапах жизненного цикла изделий. Одними из самых востребованных являются технологии, обеспечивающие требуемое воздействие на объект обработки на микро- и субмикроуровне. Использование технологий, масштабы воздействия которых соизмеримы с размерами кристаллических решеток и даже элементарных частиц, на современном этапе развития транспортного машиностроения является чрезвычайно актуальным. Одним из технологических направлений формирования свойств изделий на подобном уровне является использование электрофизикохимических методов обработки, среди которых достойное место занимают ультразвуковые технологии, позволяющие формировать совокупность требуемых эксплуатационных свойств изделий.

Методы ультразвуковой обработки, основанные на высокочастотном поверхностном пластическом деформировании, кавитационном, кавитационно-эрозионном, кавитационнно-абразивном воздействии позволяют управлять наиболее значимыми свойствами поверхностного слоя конструкционных материалов, включая чистоту и отсутствие загрязнений, что в свою очередь приводит к формированию их оптимальных эксплуатационных характеристик.

Применение высокочастотных колебаний при сборке и разборке сопряжений деталей и узлов техники позволяет значительно уменьшить нагрузки при сборке, снизить риск повреждения деталей при разборке, а также повысить качество изделий.

Ультразвук представляет собой экологически чистое средство воздействия на материал, при этом не связанное с потреблением специфических расходуемых реагентов. Использование ультразвука в технологических процессах получения и обработки материалов и веществ позволяет снизить себестоимость процесса или продукта, получать новые продукты или повысить качество существующих, интенсифицировать традиционные технологические процессы, уменьшить негативное воздействие на окружающую среду.

Несмотря на достигнутые результаты в разработке ультразвуковых технологий и оборудования в настоящее время является актуальным их модернизация и автоматизация, а также разработка новых технологических процессов и создание высокоэффективного ультразвукового оборудования.

Цель работы - повышение эксплуатационных свойств изделий транспортного машиностроения за счет использования широкого спектра высокоэффективных, экологически безопасных ультразвуковых технологий.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Обосновать эффективность применения ультразвуковых технологий при формировании эксплуатационных свойств ответственных деталей изделий транспортного машиностроения, обеспечении их промышленной чистоты, сборке и разборке соединений деталей, а также при приготовлении и нанесении лакокрасочных материалов;

2. Исследовать влияние ультразвуковой обработки на свойства поверхностей изделий, определяющие их надежность и работоспособность.

3. Определить рациональные акустико-технологические параметры, обеспечивающие максимальную эффективность ультразвукового воздействия при производстве и обслуживании техники;

4. Разработать технологии, обеспечивающие повышение эксплуатационных свойств изделий транспортного машиностроения за счет использования ультразвуковых колебаний;

5. Разработать оборудование для реализации предлагаемых технологий.

Научная новизна. Проведён комплекс научно-исследовательских,

конструкторских и технологических работ по изучению влияния ультразвуковой обработки на свойства изделий машиностроения.

Выявлены закономерности формирования кавитационной области и акустических потоков в поле ультразвукового излучателя при различных уровнях излучаемой мощности. Определены основные технологические характеристики ультразвукового жидкостного воздействия и их связь с режимами обработки.

Установлены зависимости влияния акустико-технологических параметров ультразвуковой обработки на изменение геометрических и физико-механических свойств поверхностей изделий.

Выявлены механизмы поверхностного пластического деформирования при обработке ультразвуковым инструментом и особенности изменения тонкой структуры металлов, проанализированы различные схемы ультразвукового упрочнения, установлена связь между изменениями структуры, шероховатости и напряженного состояния, с одной стороны, и параметрами обработки с другой. Предложены комбинированные способы ультразвукового пластического деформирования.

Установлены закономерности формирования микрорельефа и свойств поверхностных слоев при воздействии ультразвуковой обработки, позволяющие обеспечивать заданные параметры качества изделий.

Предложены способы сборки и разборки соединений деталей, основанные на различной поляризации ультразвуковых колебаний.

Исследовано влияние акустико-технологических параметров ультразвуковой обработки на основные свойства жидких лакокрасочных материалов (ЛКМ); разработана технология пневмоультразвукового распыления, при которой диспергирование ЛКМ осуществляется под действием ультразвуковых колебаний, а воздушный поток обеспечивает перенос получаемого аэрозоля, в результате чего увеличивается коэффициент переноса ЛКМ и повышаются эксплуатационные свойства покрытия.

Сформулированы принципы построения ультразвукового технологического оборудования, установлена взаимосвязь электрических и акустических характеристик ультразвуковых установок и оценена эффективность их работы.

Практическая значимость и реализация результатов работы. На единой научной и материальной основах разработаны ультразвуковые технологии, основанные на воздействии эффектов, создаваемых инструментом в твердых телах, жидкостях и суспензиях, и позволяющие осуществлять следующие виды обработки:

• очистка, обеспечивающая высокоэффективное удаление загрязнений на макро-, микро- и субмикроуровне без риска повреждения поверхности;

• кавитационно-эрозионная и кавитационно-абразивная виды обработки, позволяющие увеличить маслоёмкость поверхности, повысить твердость поверхностного слоя изделий, создать сжимающие микронапряжения, уменьшить коэффициент трения поверхностного слоя;

• комбинированное воздействие ультразвуковых колебаний и химико-термической обработки, позволяющее значительно повысить микротвердость материала при увеличении глубины упрочнённого слоя;

• ультразвуковая сборка и разборка, обеспечивающая снижение нагрузок на сопрягаемые детали и их неповреждаемость;

• получение лакокрасочных покрытий с повышенной адгезией и износостойкостью.

Разработан программный комплекс, включающий в себя базу данных технологических режимов и систему управления и мониторинга ультразвуковыми установками. Комплекс позволяет осуществлять автоматический выбор технологии и оборудования для конкретного объекта обработки, поддерживать заданный технологический режим, отображать параметры обработки в реальном масштабе времени, а также реализовать работу оборудования по специально заданной программе или в интерактивном режиме, в том числе при управлении процессом от внешнего персонального компьютера.

Для реализации технологических процессов спроектирован и изготовлен ряд ультразвуковых установок, предназначенных для обработки изделий в условиях единичного, мелко- и крупносерийного производства.

Внедрение результатов работы. Разработанные технологии и оборудование внедрены на ряде производственных и эксплуатационных предприятий Москвы и Московской области. Производственные испытания показали, что экономический эффект от использования предложенных технологий складывается из повышения надежности изделий, увеличения производительности труда, снижения требований по нормам производственной безопасности.

Апробация результатов работы. Материалы диссертации докладывались на международных конференциях и семинарах: "Ультразвуковые технологические процессы - 2000" (г. Архангельск, 2000 г.); Индустриальные технологии и оборудование для ремонта и эксплуатации автомобилей и автокомпонентов, «НИИТавтопром», Москва (2004 г.); Прогрессивные технологии обработки материалов: Всероссийское совещание материаловедов России, НГТУ, Нижний Новгород (2004 г.); 100 лет Российскому подводному флоту: Международная научно-практическая конференция, Северодвинск (2006 г.); Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций: 8 -12 Международные практические конференции-выставки, СПбГПУ, Санкт - Петербург (2006 - 2010 гг.); Прогрессивные технологии обработки материалов: Всероссийское совещание материаловедов России, УлГТУ, Ульяновск (2006 г.); 7-я специализированная выставка «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» / Президиум Российской инженерной академии и Ученый совет Институт машиноведения им. A.A. Благонравова, ВВЦ, Москва (2006 г.); XIX - XXIII сессиях Российского акустического общества (2007 - 2011 гг.); "Инженерия поверхности и реновация изделий" 8-11 международные научно-технические конференции, Киев (2008 - 2011 гг.); "Новые и нетрадиционные технологии в ресурсо- и энергосбережении" Одесса (2009 г.); "Современные проблемы подготовки производства, заготовительного производства, обработки, сборки и ремонта в промышленности и на транспорте" 9 - 14 международные научно-технические семинары, Свалява (2009 - 2014 гг.); "Современные проблемы технологий конструкционных материалов и материаловедения", Харьков (2009 г.); "Автоматизация и энергоснабжение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования" Вологда (2010 г.); "Машиностроение и техносфера XXI века" Севастополь (2010 г.); "Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения" Брянск

(2011 г.); "Инновационные технологии сервиса транспортных средств" Новосибирск (2011 г.); ежегодные научно - методические конференции МАДИв 1999-2014 гг.

Передвижной ультразвуковая технологическая лаборатория в 2003 году удостоена Серебряной медали Недели высоких технологий (Санкт-Петербург) и награждена дипломом международной специализированной выставки АиКЛес (Москва).

В 2008 г. за разработку ультразвукового оборудования нового поколения для получения и обработки деталей и узлов транспортного машиностроения автор удостоен Премии Правительства РФ в области науки и техники.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 75 печатных работ, из них 34 в ведущих научных журналах, входящих в список ВАК, и получено 12 патентов на полезные модели и изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, основных выводов, списка литературы, содержит 346 стр. машинописного текста, 212 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 247 наименований.

На защиту выносятся:

- обоснование эффективности применения ультразвуковых технологий при формировании эксплуатационных свойств ответственных деталей изделий транспортного машиностроения, обеспечении их промышленной чистоты, сборке и разборке соединений деталей, а также при приготовлении и нанесении лакокрасочных материалов;

- результаты исследования влияния ультразвуковой обработки на свойства поверхностей изделий, определяющие их работоспособность и долговечность;

принципы автоматизации ультразвуковых технологических процессов, основанные на выборе рациональных акустико-технологических параметров, обеспечивающих максимальную эффективность воздействия при производстве и обслуживании техники;

- технологические и конструкционные решения, используемые при создании ультразвукового оборудования для повышения эксплуатационных свойств изделий транспортного машиностроения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность темы диссертационной работы, посвященной разработке и созданию комплекса высокоэффективных ультразвуковых технологий, обеспечивающих повышение эксплуатационных свойств ответственных деталей изделий транспортного машиностроения.

В первой главе проанализированы возможности применения ультразвуковых технологий для формирования эксплуатационных свойств изделий машиностроения.

Анализ литературных источников показывает, что работоспособность и надежность узлов, агрегатов и изделий в целом определяются свойствами и состоянием поверхностного слоя деталей. Основными физико-механическими и геометрическими свойствами поверхностей деталей, оказывающими значительное влияние на эксплуатационные характеристики изделий являются: структура, микротвердость, знак и уровень остаточных напряжений, параметры шероховатости и субшероховатости, а также наличие на поверхности посторонних включений (загрязнений).

Использование ультразвуковых технологий позволяет осуществлять технологическое воздействие на поверхностные слои конструкционных материалов, обеспечивающее формирование требуемых свойств. Основными преимуществами использования ультразвуковой обработки являются: возможность воздействия на поверхности материалов на макро-, микро- и субмикроуровне, отсутствие необходимости использования дорогостоящих и экологически вредных реагентов и расходных материалов, широкие возможности автоматизации процессов.

Технологическое воздействие ультразвука на объект обработки может осуществляться при непосредственном контакте источника колебаний с заготовкой или через жидкие среды.

Научно-методические основы ультразвуковых жидкостных технологий у нас в стране и за рубежом заложили Дж. Рэлей, Б. Нолтинг и Е. Непайрас, X. Куттруфф, В. Лаутерборн, Я.Б. Зельдович, Я.И. Френкель, М.Н. Корнфельд, Л.Д. Розенберг, М.Г. Сиротюк, Б.А. Агранат, В.И. Башкиров, Ю.И. Китайгородский, Л.О. Макаров и ряд других выдающихся ученых.

Существенно расширить возможности жидкостной ультразвуковой технологии позволили результаты исследований, проведённых А.П. Пановым, В.М. Приходько, Т.Н. Ивановой в области высокоамплитудной обработки.

Воздействию ультразвука на твердые тела посвящены основополагающие работы И.Н. Муханова, А.И. Маркова, В.Ф. Казанцева, Е.Ш. Статникова, A.B. Кулемина и И.А. Стебелькова.

В современном машиностроении основным направлением повышения эксплуатационных свойств изделий является формирование требуемых свойств поверхностного слоя. Уменьшение трения и износа, повышение коррозионной и усталостной прочности, и, как следствие, повышение надежности и ресурса напрямую зависят от структуры, твердости, внутренних остаточных напряжений, шероховатости и субшероховатости поверхности материала.

Одним из условии обеспечения качества продукции при производстве, эксплуатации и ремонте является соблюдение требований промышленной чистоты деталей и узлов техники. Обеспечение чистоты деталей и узлов на протяжении всего жизненного цикла изделия не только обязательное условие обеспечения его работоспособности и надежности, но и залог соблюдения экономических и экологических требований.

Завершающим этапом производства большинства изделий машиностроения является нанесение лакокрасочных покрытий. Качество лакокрасочного покрытия определяет как декоративные, так и защитные свойства изделий. Совершенствование технологии покраски позволяет получить экономический эффект и повысить эксплуатационные свойства узлов и агрегатов транспортной техники.

Отдельно необходимо отметить роль сборочно-разборочных операций. Снижение нагрузок при осуществлении сборки и разборки соединений, уменьшение трения между сопрягаемыми деталями и сохранность элементов посадок позволяет значительно повысить надежность сборочных единиц, в т.ч. при повторном использовании.

Несмотря на интерес, проявляемый в настоящее время к применению ультразвуковых колебаний в самых разнообразных технологических процессах, необходимо отметить, что всё ещё недостаточно изучены физические механизмы воздействия высокочастотных колебаний на жидкие и твердые среды, отсутствует методология создания ультразвукового технологического оборудования, а также не сформулированы основные требования к разработке систем автоматизации высокоэффективных технологий.

Проведённый анализ эффективности применения ультразвуковых технологий для формирования эксплуатационных свойств изделий, в особенности транспортного машиностроения, показал, что несмотря на явные преимущества, получаемые при использовании ультразвука в различных технологиях, необходимы дополнительные исследования физики ультразвуковых технологий для повышения эффективности уже используемых технологий, их автоматизации, и разработки новых технологических процессов.

Во второй главе изложены результаты исследований эффектов, возникающих в жидких средах под действием ультразвукового поля различной интенсивности.

При сообщении жидкости ультразвуковых колебаний существуют по крайней мере три режима, принципиально отличающиеся между собой: докавитационный, кавитационный низкоамплитудный и кавитационный высокоамплитудный. Наиболее сложным, с точки зрения структурирования технологических зон, формируемых в ультразвуковом поле, является высокоамплитудный режим. В.М. Приходько предложено разделять ультразвуковое поле на три технологические зоны (рис. 1).

Излучатель поршневого типа

режиме жидкости

технологических зон, формирующихся в

ультразвуковом поле

стержневого излучателя при высокоамплитудном

Рис. 1. Схематическое изображение

обработки

поле

Г г

Одним из признаков перехода к высокоамплитудному режиму является появление стационарного гидродинамического потока, насыщенного кавитационными пузырьками и существующего только в том случае, если под излучателем имеется источник новых парогазовых пузырьков. Этим источником является механизм выпрямленной диффузии.

Природа этого явления заключается в следующем. При сжатии пузырька концентрация газа в нем увеличивается, и газ диффундирует из пузырька в жидкость. При расширении пузырька происходит обратное -концентрация газа уменьшается, и диффузионный поток изменяет направление на противоположное. Однако при расширении пузырька его поверхность больше, чем при сжатии, поэтому количество газа диффундирующего внутрь пузырька при расширении больше, чем количество газа, выходящего при сжатии.

Величина диффузионного потока в зависимости от времени имеет вид:

Здесь О-коэффициент диффузии, ^-начальный радиус пузырька, С0-концентрация газа в жидкости, с - равновесная концентрация газа в жидкости, С5 - концентрация газа в жидкости у поверхности пузырька.

Величины А и В определяются в результате интегрирования по времени функций Я^) и Я'О)-

Условие существования стационарного потока, насыщенного кавитационными пузырьками, можно найти, воспользовавшись схемой, приведённой на рис. 2.

Рис. 2. Схема образования пузырькового потока на границе I и II технологических зон: 1- излучатель; 2 ■ диффузионная зона, 3 - жидкость, 4 -поток

Предполагая, что первая зона имеет форму цилиндра высотой / и площадью Б, а скорость роста пузырька, содержащего свободный газ, равна

N1,

I = , скорость роста общей массы свободного газа будет равна —

где N - общее число пузырьков.

При существовании потока пузырьков убыль пузырьков из первой

зоны равна у ■ М, где и - скорость потока, 1 - высота первой зоны, М - общая

масса газа в пузырьках. Предполагая, что число пузырьков не меняется М=Ы-ш, где т - масса газа в одном пузырьке. Условие стационарного состояния будет следующим:

¿м и „

----М = 0. (2)

л е у '

Условие позволяет найти связь между потоком газа внутрь полости кавитационного пузырька 12, скоростью потока и, размерами кавитационной

области (высотой первой зоны Г) и содержанием газа в пузырьке т = ■ С0.

Измерения скорости потока и на расстоянии 10 мм от излучающей поверхности (рис. 3) при установившемся режиме показали, что скорость потока при амплитудах излучателя до 10 ... 12 мкм близка к нулю. При увеличении амплитуды колебательных смещений скорость потока возрастает пропорционально где );„,= 10...12 мкм.

Таким образом, при возникновении кавитации резко увеличивается скорость образования пузырьков за счёт диффузии растворённого газа, что компенсирует постоянную концентрацию парогазовых пузырьков.

Другим принципиально важным вопросом, определяющим возможности ультразвуковой высокоамплитудной технологии, является описание явлений, происходящих во второй технологической зоне (рис. 1).

120 100 80 60 40 20 0

V, см/с

Рис. 3. Зависимость скорости потока V от амплитуды колебаний излучателя Р„„

10 15 20 25 30 35 40 45

мкм

Пузырек в акустическом поле пульсирует и осциллирует на частоте акустического возмущения. Осцилляции пузырька, как и любой материальной частицы, при больших числах Рейнольдса, создают вокруг него сложную систему потоков, в т.ч. циркулярных. Поэтому в ближней к излучающей поверхности зоне с высокой концентрацией пузырьков, где волновое сопротивление среды резко падает и амплитуда пульсаций при заданной амплитуде звукового давления возрастает, образование ансамбля пузырек-турбулентность вполне вероятно (рис. 4а).

В кавитационной области, расположенной у излучающей поверхности, существуют оптимальные условия для сближения пузырьково-турбулентных пар друг с другом и их коагуляции, т.е. образования парных и более сложных образований, в которых микропотоки, образованные отдельными осциллирующими пузырьками, перехватываются друг другом, резко снижая потери на центробежное рассеяние жидкости (рис. 46).

Рис. 4. Осциллирующий пузырек, связанный с охватывающей его микротурбулентностью (а) и пузырьково-турбулентный кластер (б)

Таким образом, из плотного пузырькового облака крупномасштабный поток выносит совершенно различные динамические образования:

- пузырьки, находившиеся в момент выноса в фазе минимальных значений скорости осцилляции и способные, пульсируя, расти, достигать резонансного размера и коллапсировать, создавая ударные волны и кумулятивные струи;

- одиночные отдельные образования (назовём их кластерами), быстро затухающие за счет центробежного растекания жидкости и противодействующие тем самым сжатию гидродинамического потока под действием сил Бьеркнесса и эффекта Бернулли;

- объединённые многопузырьковые кластеры с обобщенными криволинейными микротечениями, которые переносятся крупномасштабным гидродинамическим потоком на значительные расстояния.

Таким образом, для описания явлений, происходящих в области действия акустической кавитации, необходимо ввести понятие кавитационного кластера - объединение нескольких парогазовых полостей, которое может рассматриваться как самостоятельная единица, обладающая определёнными свойствами.

Особенностью таких многопузырьковых кластеров, является способность запасать в гидродинамических микропотоках значительную реактивную упругую энергию, которая может высвобождаться и затрачиваться на совершение механической работы.

Как показывает анализ скоростной съёмки и результаты ряда исследований, кавитационный пузырёк существует очень непродолжительное время. Он либо перестает существовать (захлопывается), либо объединяется с другими пузырьками в кластер (рис. 5). Одновременно происходят два процесса: слияние пузырьков (коалесценция) и объединение мелких пузырьков в более крупные под влиянием сил сцепления с образованием общих структур (коагуляция). Коалесценция сопровождается переходом системы в состояние с более низкой свободной энергией.

Рис. 5. Кинограмма пульсаций кластера у поверхности образца, полученная при скорости съемки 1500 кадров в секунду

Исследования характера движений кластера показывают, что кроме пульсаций они поступательно перемещаются в озвучиваемом объёме достаточно продолжительное время, соответствующее 10 ... 100 тыс. периодов колебаний источника ультразвука.

Известно, что в щелевых зазорах эрозионное действие кавитации многократно возрастает. Экстремальное повышение эрозионной активности в щелевых зазорах между поверхностями различной кривизны объясняется образованием стационарного пузырька особой формы. Образующийся в щелевом зазоре под действием ультразвукового поля в жидкости пузырек обладает более высокой величиной пульсации, чем свободный. Характер пульсации определяется исходными значениями амплитуды акустического давления и начального значения параметра Я пузырька. При одинаковых объемах внутренних полостей и амплитудах акустического давления, свободный пузырек совершает периодические пульсации, в то время как пузырек в щели захлопывается, что и приводит к локализации и увеличению эрозии поверхностей, его ограничивающих.

Для случая пульсаций стационарного пузырька в области касания конуса и цилиндра математической моделью пузырька является обобщенное уравнение Нолтинга-Непайраса:

Р^Гр^+зГ^ТУр+ —УМ-С^ + А] +Ргазтт, (3)

Т^л^Л*;)(° а. с^Дя,! I к <*Ч га

с начальными условиями:

Щ0)=Ко, Я'(0)=0. (4)

Здесь: р - плотность жидкости;

Р0 - гидростатическое давление;

ш - круговая частота;

Рт - амплитуда давления;

Яо - начальный радиус пузырька;

т - время;

с, у - параметры, определяемые геометрическими размерами зазора.

Объяснение эффекта значительного повышения кавитационной эрозии в области контакта поверхностей различной кривизны (на два порядка превышающей эрозию свободной поверхности, осуществляемую кавитацией) с точки зрения образования стационарного пузырька является в достаточной мере абстрактным. Очевидно, что стационарный пузырек по сути является кластером, состоящим из большого количества отдельных пузырьков. Проведение скоростной киносъёмки процесса позволило подтвердить высказанные предположения.

Площадь контакта кластера с поверхностями, образующими щель, настолько велика, что пропорционально возрастают и силы, удерживающие

его в щели, по сравнению с силами, удерживающими свободно пульсирующую полость у твердой поверхности. Кроме того, из щели вытеснена жидкость и нет тех гидродинамических течений, которые могли бы унести кластер с места его действия, что и позволяет щелевой кавитации быть столь разрушительной.

В_третьей главе представлены материалы по обеспечению

промышленной чистоты поверхностей ультразвуковыми методами.

Детальные исследования процесса ультразвуковой очистки показали, что этот процесс можно рассматривать как двухстадийный. На первой стадии в результате действия кавитационных пузырьков образуются зоны кавитационного разрушения. На второй стадии в этих зонах происходит удаление загрязнения вследствие отслаивающего действия потоков и кавитационных пузырьков.

Скорость удаления загрязнения пропорциональна общей массе загрязнения в, пропорциональной плотности центров кавитационного разрушения С, и определяется величиной потока жидкости вблизи очищаемой поверхности и действием пульсирующих пузырьков.

Введем коэффициент к,, характеризующий эффективность удаления загрязнений и зависящий от плотности акустической энергии в объеме жидкости. Таким образом, первое уравнение имеет вид:

™ = №-О.С • (5)

Предположим, что характер образования центров кавитационного разрушения при очистке - С описывается уравнением вида:

^ = (6)

где п - порядок реакции (определённый по аналогии с процессом химической кинетики). В данном уравнении коэффициент пропорциональности кг также зависит от плотности акустической энергии.

Интегрируя эти уравнения, получим:

О(1) = О0[1-ехр(кГ)], (7)

где во - начальная степень загрязнения, п - 2

Результаты исследований (рис. 6) показывают, что первоначально рост амплитуды колебательных смещений сопровождается ростом амплитуды звукового давления, причем положение максимума давления приходится на

значение амплитуды ^ = 8 ... 10 мкм и не зависит от расстояния до источника колебаний. Дальнейшее увеличение амплитуды колебательных смещений приводит к резкому спаду давления звука. При амплитуде колебательных смещений 10...20 мкм наблюдаемое падение давления обратно пропорционально амплитуде колебаний, что связано со значительным поглощением акустической энергии в зоне, прилегающей к источнику колебаний, которая становится демпфером и экранирует остальной объем жидкости.

Рис. 6. Зависимость коэффициента к (1), характеризующего скорость очистки, и изменения давления звуковой волны Р (2) при увеличении амплитуды колебательных мкм смещений ^

Полученные экспериментальные зависимости (рис. 7) позволяют утверждать, что основная часть загрязнений удаляется в течение начального времени обработки (5 ... 7 с).

Лв, отн. ед. 250т

200 150 100 50

Рис. 7. Зависимость кавитационного разрушения ДО образца от продолжительности обработки х

10

Активность моющей среды и интенсивность кавитационного воздействия напрямую зависят от температуры моющего раствора. Если при обычных способах очистки с повышением температуры продолжительность очистки неуклонно уменьшается, то при ультразвуковой очистке в водных растворах наблюдается оптимум по температуре, соответствующий 55...65°С.

Исследования влияния температуры на эрозию и топографию эрозионной зоны при ультразвуковом воздействии показали изменение характера эрозии при разных амплитудах. Полученные зависимости представлены на рис. 8.

Анализ полученных данных показал преимущественно пластические деформации фольги при малых амплитудах озвучивания. С увеличением амплитуды свыше 7 ... 10 мкм преобладают сквозные разрушения образцов. При низких температурах (0°С) размер следов кавитационной эрозии максимальный, при высоких температурах (70°С ... 80°С) - минимальный. При температурах выше 85°С следов эрозии не наблюдалось.

Рис. 8. Зависимости кавитационной эрозии А от температуры воды Т при разных амплитудах (4, 12, 17, 30 мкм)

Т,"С

При исследовании развития кавитационной эрозии на различных расстояниях от излучателя получены зависимости для разных амплитуд колебаний (рис. 9). С увеличением амплитуды колебаний на близких к излучателю расстояниях (до 7 мм) наибольшая кавитационная эрозия наблюдается при высоких амплитудах. С увеличением расстояния от источника колебаний до обрабатываемого образца эрозионная активность резко уменьшается. При озвучивании на высоких амплитудах падение активности меньше, чем на низких. Так, при обработке с амплитудой 4 мкм уже на расстоянии 25 мм следы кавитационного воздействия отсутствуют, а при амплитуде колебаний 20 мкм протяженность зоны воздействия увеличивается до 2 раз.

Приведённые экспериментальные зависимости позволили предложить способы повышения эффективности очистки, а также легли в основу разработки автоматизированного процесса очистки.

АС.[Пах

Рис. 9. Зависимости кавитационной эрозии ДG¡/ДGmax от расстояния до излучателя Ь при разных амплитудах (4, 7, 12, 15,20 мкм)

I., мм

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Исследование механизмов образования кавитационной эрозии показало, что снижение разрушительного воздействия может быть достигнуто при применении импульсных режимов. По результатам скоростной съёмки определены значения длительности импульсов (50 колебаний) и паузы (10 - колебаний). Экспериментальные данные степени очистки от продолжительности обработки при разной скважности импульсов 5 приведены на рис.10. Параллельно контролировалась и убыль массы образцов.

Рис. 10. Зависимости степени очистки у (1) при разных скважностях и относительного разрушения образца АО,/ДОтах (2) от продолжительности обработки I

При скважности 8= 6/5 ... 6/4 - динамика удаления загрязнений мало отличается от безымпульсного режима и обеспечивает степень очистки 95 ... 96% за 450...600 с. При 8 < 6/3 эффективность очистки значительно снижается.

Одновременно с описанными процессами происходит и эрозионное разрушение поверхности. При безымпульсном режиме после инкубационного периода (450 с) начинает развиваться кавитационная эрозия.

При импульсном ультразвуковом воздействии со скважностью импульсов Б= 6/5 ... 6/4 не происходит заметных изменений поверхностного

слоя тест-объектов и, в тоже время, достигается необходимая степень удаления загрязнений.

Увеличение зоны эрозионной активности высокоамплитудного излучателя достигается тем, что на изделие, помещенное в рабочую емкость с жидкостью, воздействуют ультразвуковыми колебаниями от основного высокоамплитудного источника излучения с амплитудой колебательных смещений 15 ... 50 мкм и частотой 20 ... 30 кГц, одновременно формируют поток дополнительной энергии низкоамплитудного излучения, создающего совместно с излучением основного источника общую, удалённую от него зону устойчивого кавитационного воздействия.

Эффективность предложенного способа подтверждается результатами экспериментов по разрушению фольги (табл. 1).

Проведение экспериментальных исследований позволило подтвердить предположение о возможности запаса механической энергии в виде пузырьково-турбулентных кластеров вблизи излучающей поверхности, и переноса части этой энергии в гидродинамическом потоке кавитационных пузырьков на относительно большие расстояния, а также возможности акустической активации этих образований, что позволяет добиться выделения запасенной энергии в форме кавитационных коллапсов в дальней зоне излучения.

Таблица 1.

Ширина эрозионной зоны Расстояние от образца, мм

30 60 90 120 150

высокоамплитудного излучателя Ь1 ,мм 30 0 0 0 0

низкоамплитудного излучателя 12, мм 0 15 45 35 35

совместного использования высокоамплитудного и низкоамплитудного излучателей ЬЗ, мм 30 30 65 40 40

Расширение эрозионной зоны от совместного использования высокоамплитудного и низкоамплитудного излучателей Ь3-(Ы+Ь2), мм 0 15 20 5 5

Одним из путей совершенствования процесса очистки является уменьшение количества технологических операций. Использование водно-органических эмульсий в качестве технологических моющих сред при ультразвуковой очистке позволяет исключить из технологического процесса операцию пассивации, а также повысить эффективность обработки.

Полученные данные показывают, что при использовании водной эмульсии с 20%-ым содержанием дизельного топлива не наблюдается коррозии поверхности, что свидетельствует об изменении типа эмульсии

гидрофильной на олеофильную. При этом образующийся на поверхности образцов слой дизельного топлива препятствует окислению поверхности.

Поскольку очистка деталей и узлов техники производятся на производственных, транспортных (эксплуатационных), обслуживающих и ремонтных предприятиях, рациональным подходом к созданию ультразвукового оборудования является учёт особенностей масштаба производства, специализации и типа производства.

С учётом приведённых факторов для реализации технологического процесса по приведённой схеме разработан ряд установок ультразвуковой очистки (RU 14862U1, RU 24125 Ul, RU 95 563 U1, RU 109 027 U1, RU 16087

Ul, RU2 378 058 С1 и др.).

В четвёртой главе исследуется влияние физических механизмов ультразвуковой обработки на изменения свойств поверхностных слоев изделий.

Металлографические исследования действия кавитации выявили наличие чётких границ слоёв с различными свойствами (рис. 11). Верхний слой, непосредственно воспринимающий действие кавитации, представляет собой деформированные раздробленные зёрна. Второй состоит из зёрен, вытянутых по нормали к поверхности материала. Расположенные ниже деформированные слои имеют менее чёткие границы раздела.

слой нормально-ориентированных ШШ^А К пове'5хности Деформирование зёрен

слой кавитационных разрушении

переходный деформированный слой

j деформированный слой

^■■s J - 5

исход]

„ч ^«хпм исходный материал

Рис. 11. Структура материала после кавитационной обработки

Деформация и дробление зёрен, наблюдаемые в результате кавитационно-эрозионного воздействия, приводят к созданию в поверхностном слое микронапряжений сжатия.

Исследования изменения микротвёрдости поверхности показывают, что существует устойчивое состояние, которое характеризуется показателем относительной микротвёрдости 1,5. При достижении этого значения показателя воздействие кавитации не приводит к каким-либо значительным изменениям.

Как правило, увеличение шероховатости поверхности образца приводит к усилению эрозионных разрушений. В случаях, когда рабочее тело (пузырёк) и геометрические параметры шероховатости близки по размеру, микрогеометрию поверхности можно рассматривать, как совокупность щелевых зазоров, действие кавитации в которых многократно возрастает. Так, например, в интервале значений шероховатости Яа (рис. 12) до 0,04 мкм изменение шероховатости резко возрастает, от 0,04 до 0,1 мкм резко уменьшается. Дальнейшее увеличение параметра Яа ведет к постепенному возрастанию изменения шероховатости.

Яа/Яао

2

1,

1,6 . 1,4 . 1,2 ■ 1

0,8

А

ТУ

Яа

' 1 Б

0

0

10

20

0,2

0,4

30

0,6

40

0,!

Яо Дао

Рис. 12. Зависимость изменения среднего арифметического отклонения К а и среднего шага местных выступов профиля Б от начального значения после ультразвуковой обработки

Зависимости влияния основных параметров жидкостной ультразвуковой обработки, а именно, амплитуды колебаний, времени обработки и расстояния от образца до излучателя на параметры шероховатости представлены на рис. 13.

^ мин----

£, МКМ .....-.......

Ь, мм--

Рис. 13. Зависимости влияния амплитуды колебаний, времени обработки и расстояния от образца до излучателя на параметры шероховатости

Несмотря на повышение шероховатости при воздействии кавитационной эрозии происходят и геометрические изменения, положительно влияющие на износостойкость изделий. Так, например, с увеличением значений микронеровностей увеличивается и маслоёмкость поверхности (рис. 14).

лО

Рис. 14. Динамика изменения маслоёмкости поверхности Ар: 1 -сталь, 2 - алюминий

0 5 10 15 20 25 30 35^«™

Субмикрометрические исследования поверхности методами атомно-силовой и туннельной микроскопии (рис. 15) позволили установить, что наряду с увеличением наибольшей высоты неровностей профиля (на 20...25%) происходит выравнивание гранулометрического состава частиц, а также значительное (в 1,7 ... 2 раза) снижение силы латерального фрикционного контакта, связанное с созданием регулярного специфического микрорельефа и повышением микротвёрдости.

Рис. 15. Профили образцов из стали 45 и распределение латерального фрикционного контакта до (а, б) и после (в, г) ультразвуковой обработки

Применение ультразвуковых методов ППД позволяет формировать структуру, микротвёрдость, шероховатость, знак и уровень остаточных напряжений, трибологические свойства объектов обработки.

При высокой частоте и сравнительно небольшой силе удара индентора (при ультразвуковом выглаживании) наблюдается значительное снижение параметров шероховатости поверхности до 2...4 раз. При этом воздействие деформации ультразвуковых колебаний распространяется на глубину 50 ... 150 мкм.

В случае виброударной ультразвуковой обработки уменьшение высотных и шаговых параметров профиля не столь значительно. Однако глубина деформированного слоя в этом случае возрастает до 250 ... 300 мкм.

Комбинация перечисленных методов позволяет обеспечить снижение шероховатости поверхности и, при этом, значительную глубину и твёрдость деформированного слоя, что приводит к повышению износостойкости (рис. 16).

Дг, мкм

Рис. 16, Зависимости размерного износа Дг образцов из стали 45: 1 - без обработки; 2 -после выглаживания; 3-после виброударной обработки; 4 - после виброударной обработки и последующего выглаживания

Совмещение процессов виброударной обработки и выглаживания достигается при использовании спаренной ультразвуковой колебательной системы, что значительно сокращает технологическое время процесса и энергетические затраты.

Качественно новые результаты по изменению физико-механических и эксплуатационных свойств изделий позволяет получить комбинированный метод, основанный на применении принципиально различных процессов -ХТО и ультразвукового упрочнения.

Анализ полученных результатов показывает, что применение ультразвукового ППД после термообработки ТВЧ позволяет увеличить микротвёрдость поверхностного слоя до 1,5 ... 1,6 раз.

х"

/ / У /

/ \2

/ -------------- VI

--- VI

О 7200 14400 21600 28800 36000 43200 50400 5760 N,

ЧИСЛО ЦИКЛОВ

Другим способом целенаправленного модифицирования стальной поверхности является азотирование - повышение твердости и износостойкости детали в результате диффузии азота при повышенной температуре.

Измерения профиля твёрдости образцов Ст. 3 без обработки, после азотирования, после ультразвукового ППД, а также после азотирования с последующим ультразвуковым ППД позволили получить зависимости, представленные на рис. 17.

Полученные результаты показывают, что комплексное ультразвуковое воздействие и азотирование увеличивают микротвёрдость поверхности материалов до 2 ... 2,5 раз, при этом упрочнение распространяется на толщину слоя до 2 раз превышающую полученную азотированием.

Рис. 17. Профиль твёрдости образцов из

стали 3:1- без обработки; 2 - после азотирования; 3 - после ультразвукового ППД; 4 - после азотирования

с последующим ультразвуковым ППД

О 50 100 150 200 250 300 350

В пятой главе представлены результаты исследований по применению ультразвуковых технологий для интенсификации сборочно-разборочных операций. В производственной практике для реализации сборочно-разборочных операций наиболее распространены устройства, в которых достижение технологического эффекта обеспечивается продольными колебаниями рабочего инструмента.

Определенный порядок пространственного расположения основных элементов устройства (рис. 18) изменяет баланс удерживающих и разбирающих сил при разборке соединения "вал - втулка". В этом случае собственный вес охватываемой детали и дополнительная гидравлическая сила, действующая на неё, способствуют разъединению деталей соединения в условиях снижения трения под воздействием ультразвуковых колебаний.

Твердость, НУ 6(ХЬ

500

300 200

Л 4

ч 3 с ♦ • X

Л X, \ \

Расстояние от обработанной поверхности, мкм

Рис. 18. Устройство ультразвуковой разборки (Р - давление рабочей среды, -амплитуда колебаний, в - сила тяжести иглы): 1 - концентратор; 2 - отверстие; 3 -канал; 4 - штуцер; 5 - шланг; 6 - втулка; 7

- вал; 8 - опорная поверхность; 9 - упор; 10

- торец концентратора

Интенсификация процессов разборки и сборки достигается применением радиальных и крутильных колебаний (рис. 19).

Рис. 19. Ультразвуковая колебательная система для возбуждения радиальных колебаний в соединении вал - втулка (£т -амплитуда колебаний): 1 - скоба; 2 -охватываемая деталь; 3 -охватывающая деталь, 4 -концентратор

Магнитострикционный преобразователь с помощью скобы прижимается к внешней поверхности охватывающей детали, вследствие чего в системе вал - втулка возбуждаются радиальные колебания с частотой f. При величине механического натяга < в определенные промежутки времени на границе вал-втулка физический контакт будет отсутствовать и, следовательно, сила трения на границе будет равна нулю. Отсюда следует, что извлекаемая внутренняя деталь, масса которой ш под действием приложенной силы будет перемещаться вдоль оси системы. За один период произойдет относительное смещение деталей на величину равную:

я - агссов!

а средняя скорость перемещения разбираемой детали будет:

л2 ■ ш ■ Г

- агссов —

и™

(В)

(9)

Другой актуальной задачей, решаемой при разработке сборочно-разборочных операций, является интенсификация технологий сборки и разборки резьбовых соединений. Использование колебаний любой поляризации - продольных, крутильных, изгибных и радиальных позволяет уменьшить трение в соединении и, как следствие, момент закручивания/откручивания резьбовой пары (рис. 20).

<6 I»

I *

Рис, 20. Зависимость момента откручивания резьбы Моткр от амплитуды колебаний излучателя при различных моментах закручивания

Математическая обработка экспериментальных данных показала возможность аппроксимации зависимости момента откручивания от амплитуды колебаний излучателя степенной кубической функцией. Для момента закручивания 25 Н/м:

Моткр. = 15,0282 - 0,7754^+0,0326 ^тг-0,0004 (10)

Техническим решением, обеспечивающим повышение эффективности сборки и разборки резьбовых соединений, является устройство, представленное на рис. 21.

Совмещение процессов разборки и очистки становится возможным благодаря введению в состав устройства технологической камеры для моющего раствора.

ультразвуковой преобразователь

Л ¡4.

Рис. 21. Ультразвуковой инструмент для разборки резьбовых соединений:

- амплитуда колебаний): 1 -концентратор; 2 - обойма; 3, 4 -коронка; 5 - головка - переходник

Рассмотренные схемы обработки легли в основу создания установок ультразвуковой разборки (1Ш 15092 Ш, Ки 2 354 525 С2,1Ш 103 774 Ш).

Шестая глава посвящена повышению качества лакокрасочных покрытий с помощью ультразвуковых технологий.

Повысить качество лакокрасочных покрытий позволяет использование комплекса технологий по подготовке ЛКМ, подготовке поверхности и нанесению ЛКМ.

Исследование по ультразвуковой подготовке ЛКМ проводилось по следующим направлениям:

- изменение свойств ЛКМ при различных режимах ультразвуковой обработки;

- влияние ультразвуковой подготовки лакокрасочного материала на процесс его распыления;

- определение свойств покрытия, полученного при использовании лакокрасочного материала, подготовленного с применением ультразвука.

Зависимость изменения вязкости ЛКМ при ультразвуковой обработке представлена на рис. 22.

Оптимальное влияние ультразвуковых эффектов на снижение вязкости происходит при переходном режиме обработки в течение 15 ... 60 с. Доля остальных эффектов в снижении вязкости относительно нагрева составляет 55 ... 70%. Наибольшее суммарное воздействие происходит при озвучивании в течении 60 с, в результате чего вязкость снижается на 65% и составляет 320 сПз, при этом нагрев ЖМ составляет 7°С. Для достижения рабочей вязкости 80 сПз необходимо добавление 8% растворителя. После озвучивания ЛКМ на режимах, обеспечивающих наибольшее влияние ультразвука, степень перетира снижалась до 25%.

Рис. 22. Динамика изменения вязкости т|/г|о ЛКМ под действием ультразвуковых колебаний при различных амплитудах колебаний £,„,

О 30 60 90 120 150 180 f, С

Достижение рабочей вязкости ЛКМ, подготовленного с помощью ультразвука, позволяет наносить его методом пневмораспыления на тех же режимах, что и ЛКМ, подготовленный по типовой технологии.

Угол факела распыления после ультразвуковой обработки ЛКМ изменился незначительно, так как вязкость образцов одинакова. При распылении обработанного ЛКМ ширина факела распыления увеличивается с 90 до 125 мм, что связано с увеличением плотности ЛКМ, вследствие чего возрастает скорость капель аэрозоля и уменьшается количество капель, уходящих на туманообразование. Этим же объясняется увеличение высоты факела с 250 до 300 мм.

Определение толщины покрытий показало возможность нанесения ЖМ, подготовленного по разработанной технологии, в один слой, в отличие от 2-х слоев, требуемых по технической документации. Толщина типового двухслойного покрытия составила 34 мкм, а однослойного 27 мкм. Свойства лакокрасочных покрытий приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Параметр ЛКМ, подготовленный по типовой технологии ЛКМ, подготовленный с использованием ультразвука

Ra, мкм 0,037 0,024

Rz, мкм 0,404 0,273

Микротвёрдость, кг/мм2 2,29 ЗД

Адгезия, МПа 4 5

Массовый износ 0,43 0,27

Свойства на субмикроуровне:

Ra, нм 8,7 3,4

Ftp, Н 1,52 х 10"'2 1,36 х 10"12

F»k, Н 0,31 х 10"'5 0,23 х 10"15

Снижение высотных параметров шероховатости до 1,5 раз, объясняется неравномерностью распределения пигментов в приповерхностном слое лакокрасочного покрытия, полученного по типовой технологии пневматического распыления, т.е. часть наиболее мелкодисперсных капель, образующих туман, оседает на поверхности плёнки с низкой скоростью, которая не позволяет преодолеть силу поверхностного натяжения плёнкообразующего вещества.

Увеличение микротвёрдости высохшей плёнки ЛКМ, определяющей прочность покрытия, вызвано эффектом ультразвуковой дегазации и снижением количества применяемого растворителя, т.е. покрытие имеет меньшее количество микропор и уменьшается вероятность их появления при сушке покрытия.

Возрастание адгезии связано с технологией однослойного нанесения ЛКМ, когда под действием силы тяжести ЛКМ в большем количестве затекает в микровпадины поверхности, увеличивая площадь схватывания; снижением количества применяемого растворителя, испарение которого может привести к появлению микропор за счёт эффекта деполимеризации, который улучшает растекание ЛКМ по поверхности.

Повышение износостойкости покрытия является следствием снижения высотных параметров шероховатости на микро- и субмикроуровне, и повышения твёрдости лакокрасочного покрытия.

Проведенные исследования позволили установить, что повышение маслоёмкости окрашиваемой поверхности в 1,5 раза приводит к повышению адгезии покрытия на 1 МПа.

Исследования по ультразвуковому распылению ЛКМ включали в себя:

- определение зависимости характеристик аэрозоля от амплитуды колебаний и свойств распыляемого материала;

- выявление рациональной конструкции ультразвукового распылителя;

- интенсификация ультразвукового распыления с целью практического использования.

Зависимости диаметра и скорости капель от амплитуды представлены на рис.23.

С ростом вязкости и повышением амплитуды колебаний торца излучателя увеличивается максимальный диаметр капель, получаемого аэрозоля. Наиболее рациональной является амплитуда 10 мкм, при которой обеспечивается рекомендуемый размер капель (60... 100 мкм) во всём диапазоне рабочей вязкости ЛКМ.

Интенсификация процесса распыления достигается совмещением ультразвукового и пневматического метода, что позволяет за счёт ультразвука производить диспергирование ЖМ, а перенос аэрозоля от торца

излучателя к окрашиваемой поверхности осуществлять потоком сжатого воздуха.

Рис.23.

Дисперсность капель аэрозоля при ультразвуковом распылении на различных режимах

240 п. СПз 1.239 р, Г/СМ3

Разработанный способ пневмоультразвукового распыления позволяет достичь высоты факела распыления 250 мм, используя при этом давление в 4 раза ниже - ) бар. При этом обеспечивается снижение параметров шероховатости в 2 раза, что объясняется равномерной скоростью капель аэрозоля и снижением потерь на туманообразование, в результате чего все капли равномерно оседают на поверхности, а также компенсацией эффекта акустической коагуляции аэрозоля за счёт потока сжатого воздуха.

Повышение адгезии покрытия к поверхности на 2 МПа вызвано уменьшением давления, что значительно снижает силу соударения капли с аэрозоля с поверхностью, в результате чего она не разбрызгивается и не подвергается сильному воздействию при падении далее идущих капель и струи воздуха, а свободно растекается и заполняет микротрещины, тем самым повышая площадь схватывания.

Для реализации способа пневмоультразвукового распыления предложена конструкция распылителя, представленная на рис. 24.

Рис. 24. Конструкция пневмоультразвукового распылителя: 1 - пьезокерамический преобразователь; 2 -концентратор; 3 - насадка; 4 - канал для подачи сжатого воздуха; 5 -ёмкость с ЛКМ; 6 -пневмопистолет

Главным отличием технического решения является локализация основного пятна ЛКМ на удалении от сопла, а также увеличение его площади, что говорит о равномерности работы воздушного потока, которая направлена в основном на перенос капель аэрозоля; этим же объясняется увеличение площади пятна, так как капли, которые образовывали туман вблизи сопла, переносятся к окрашиваемой поверхности. Способ нанесения ЛКМ характеризуется высокой производительностью, большим коэффициентом переноса и сочетает в себе преимущества ультразвукового распыления с минимизацией недостатков пневматического.

Для реализации преимуществ ультразвуковых технологий при покраске разработан следующий технологический процесс:

1. ультразвуковая очистка изделий от жиров, пыли и абразивных частиц;

2. ультразвуковая подготовка ЛКМ;

3. нанесение подготовленного ЛКМ на поверхность изделий методом пневмоультразвукового распыления.

Анализ свойств полученного лакокрасочного покрытия, показывает что предложенная технология по сравнению с типовой обеспечивает:

- возможность однослойного нанесения ЛКМ;

- снижение высотных параметров покрытия в 3 раза;

- повышение микротвёрдости на 40%;

- увеличение адгезии в 2 раза;

- снижение массового износа в 2 раза;

- снижение расхода растворителя в 3 раза.

Улучшение свойств покрытия связано с суммированием положительных эффектов, возникающих на каждом этапе покраски при применении ультразвука, а также с увеличением времени воздействия на жидкий ЛКМ при его подготовке и распылении.

В седьмой главе изложены методика автоматизации технологических процессов ультразвуковой обработки, а также принципы создания мобильных ультразвуковых технологических лабораторий.

Для создания современной ультразвуковой установки необходимо наличие в ней контрольно - измерительной аппаратуры, позволяющей оценить акустические параметры в колебательной системе и нагрузке (например, амплитуду колебаний) и возможность использования этих данных для управления технологическим процессом. Структурная схема ультразвукового технологического аппарата представлена на рис. 25:

Задача автоматизации технологических процессов решается путем создания аппаратно - программного комплекса, позволяющего осуществлять:

- отображение параметров режима в реальном масштабе времени;

- автоматическое поддержание заданного режима;

- работу установки по специально заданной программе или в интерактивном режиме, в том числе при управлении процессом от внешнего персонального компьютера.

Информационный поток

Электрическая связь

Акустический контакт (связь) | ДОС | Датчик обратной связи

ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР

ЩЙГ

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ГЕНЕРАТОР

Рис. 25.

Структурная схема ультразвукового технологического аппарата

Для организации работы аппаратного комплекса создана программная оболочка, обеспечивающая вышеперечисленные задачи автоматизации технологических процессов.

В большинстве технологических операций, осуществляемых с помощью ультразвука, одним из наиболее значимых факторов, определяющих эффективность процесса, является позиционирование рабочего инструмента (излучателя) относительно объекта обработки. Учитывая, что большинство изделий машиностроения имеют сложную пространственную форму, оптимизация процесса достигается перемещением излучателя по заданной траектории, т.е. организацией координатной обработки (рис. 26).

Рис. 26. Установка координатной

ультразвуковой обработки: 1 объект обработки; 2 - каркас нижнего блока установки, 3 - каркас верхнего блока установки; 4 - привод продольного перемещения излучателя, 5 - привод поперечного перемещения излучателя, 6 - привод вертикального перемещения излучателя, 7 -ультразвуковая колебательная система

Поскольку в САМ-системах отсутствуют модули способов ультразвуковой обработки, в качестве аналога программирования перемещения инструмента было выбрано фрезерование.

Рассмотренный алгоритм разработки технологического процесса и оборудования координатной обработки может быть использован для создания ультразвуковых технологий очистки, поверхностного пластического деформирования, выглаживания, резания и др. Предлагаемые технические решения позволяют снизить время обработки сложнопрофильных изделий в 3 ... 5 раз без ухудшения качества обработки.

В современных экономических условиях, когда потенциальными потребителями ультразвуковых технологий все больше являются малые и средние предприятия, для которых приобретение дорогостоящего оборудования становится практически невозможным, экономически выгодна система технического обслуживания, при которой оборудование размещается на передвижной лаборатории-мастерской.

Разработанный и изготовленный экспериментально-промышленный образец лаборатории-мастерской на базе автомобиля ГАЗ-2705 содержит в составе технологического оборудования наборы слесарно-монтажного инструмента и приспособлений, контрольно-диагностическую аппаратуру и дополнен ультразвуковыми установками разборки и очистки (рис. 27).

Ультразвуковая "техничка" предназначена для оперативного проведения работ по обслуживанию и ремонту дорогостоящих деталей систем топливной и гидроаппаратуры автотракторной и дорожно-строительной техники, как в условиях ремонтного производства, так и в условиях эксплуатации.

Рис. 27. Комплекс

ультразвукового

технологического

оборудования в

передвижной

лаборатории-

мастерской

Основными преимуществами лаборатории-мастерской являются использование энерго- и ресурсосберегающих технологий, мобильность, компактность размещения требуемого технологического оборудования. Опытно-промышленная эксплуатация ультразвуковой передвижной лаборатории-мастерской доказала экономическую и техническую состоятельность применения данного вида обслуживания.

выводы

1. На основании выполненных исследований решена научная проблема, имеющая важное хозяйственное значение, заключающаяся в повышении эксплуатационных свойств изделий транспортного машиностроения за счёт широкого использования ультразвука при производстве, эксплуатации и ремонте техники.

2. Аналитическими исследованиями и методами сравнительных испытаний обоснована эффективность применения ультразвуковых технологий при формировании свойств поверхностей изделий машиностроения, обеспечении их промышленной чистоты, сборке и разборке соединений деталей, а также получении лакокрасочных покрытий.

3. Предложены физические модели и их математические интерпретации, описывающие образование и развитие специфических эффектов, таких как кавитация, кавитационные кластеры и крупномасштабные гидродинамические потоки при различных уровнях излучаемой мощности.

4. Исследования аномального увеличения кавитационной эрозии в области контакта поверхностей различной кривизны позволили предложить гипотезу, согласно которой повышение интенсивности разрушений поверхностей обусловлено образованием парогазовой полости по форме повторяющей форму зазора, образованного в области контакта поверхностей. Пульсации парогазовой полости описаны математической моделью, для которой получены численные решения.

5. Разработаны комплексные ультразвуковые технологические процессы формирования свойств изделий поверхностным пластическим деформированием, кавитационно-эрозионной и кавитационно-абразивной обработкой. Применение разработанных процессов позволяет снизить шероховатость поверхности, а также повысить величину и глубину наклёпа.

6. Предложены способы повышения производительности ультразвуковой очистки, основанные на наложении колебаний различной интенсивности, импульсной передаче колебаний, гидродинамическом регулировании потоков. Способы позволяют значительно сократить время

обработки, локализовать зону ультразвукового воздействия, а также повысить качество обработки.

7. Предложен способ разборки соединений деталей, основанный на использовании радиальных колебаний. Экспериментальные исследования применения способа показали его эффективность для разборки гладких соосных и резьбовых соединений.

8. На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований предложены новые технические решения, обеспечивающие повышение качества лакокрасочного покрытия, экономию ЛКМ и снижение трудоёмкости работ за счёт использования ультразвуковых колебаний при приготовлении и распылении ЛКМ.

9. Разработан программный комплекс "Управление и мониторинг ультразвуковой установки", позволяющий осуществлять автоматический выбор технологии и оборудования для конкретного объекта обработки, поддерживать заданный технологический режим, отображать параметры обработки в реальном масштабе времени, а также реализовать работу оборудования по специально заданной программе или в интерактивном режиме, в том числе при управлении процессом от внешнего компьютера.

10. Использование разработанных технологий и оборудования позволяет полностью автоматизировать рабочие процессы, значительно повысить работоспособность и надёжность изделий, отказаться от токсичных и пожароопасных композиций, в 1,5 ... 2 раза повысить коэффициент вторичного использования деталей.

11. Для реализации технологических процессов спроектирован и изготовлен ряд технологических установок, предназначенных для обработки изделий в условиях единичного, мелко и крупносерийного производства. Создан комплекс высокоэффективного ультразвукового оборудования, базируемый на передвижной технологической лаборатории - мастерской.

12. Результаты работы внедрены в ОАО «Первый автокомбинат» им.Г.Л. Краузе, ОАО «ММЗ «Расвет», ООО «Стандарт-сервис», ООО «Автологистика» и используются в учебном процессе Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах:

1. Фапохин, Д.С. Повышение эксплуатационных свойств сварных швов ультразвуковыми методами [Текст] / Бабченко Н.В., Селиверстова О.В., Сундуков С.К., Фапохин ДС. // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). 2014. № 1 (36). С. 44-49.

2. Фапохин, Д.С. Влияние комбинированной виброударной и выглаживающей ультразвуковой обработки на износ стальных изделий / Нигмехшюв Р.И., Приходько В.М., Фатюхин Д.С. // Наукоемкие технологии в

машиностроении. 2014. № 2 (32). С. 21-23.

3. Фатюхин, Д.С. Повышение эксплуатационных свойств сварных соединений ультразвуковыми методами / Селиверстова О.В., Нигметзянов Р.И., Фатюхин Д.С. // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2014. № 1 (31). С. 2328.

4. Фатюхин, Д.С. Нанесение лакокрасочных покрытий методом пневмоультразвукового распыления / Сундуков С.К., Фатюхин Д.С. II Наукоемкие технологии в машиностроении. 2014. № 4 (34). С. 26-31.

5. Фапохин, Д.С. Автоматизация технологического процесса ультразвуковой очистки / Приходько В.М., Фапохин Д.С., Юдаков Е.Г. // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).

2013.Х» 4. С. 26-31.

6. Фатюхин, Д.С. О механизме дегазации при высокоамплитудной ультразвуковой жидкостной обработке / Казанцев В.Ф., Фатюхин Д.С. Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). 2013. № 3. С. 37-42.

7. Фатюхин, Д.С. Ультразвуковая кавитационно-абразивная обработка / Д.С. Фапохин, Н.В. Бабченко, В.Д. Типсов // Наукоёмкие технологии в машиностроении—2013. -№3. С. 23-27.

8. Фатюхин, Д.С. Формирование поверхностного слоя методом комплексного ультразвукового воздействия и азотирования / В.А. Александров, В.Ф. Казанцев, Д.С. Фатюхин // Наукоёмкие технологии в машиностроении - 2013. - №3. С. 33-37.

9. Фапохин, Д.С. Ультразвуковая кавитационно-эрозионная обработка [Текст] / Д.С. Фатюхин // Наукоёмкие технологии в машиностроении - 2012. - №10. С. 17-20.

10. Фатюхин, Д.С. Автоматизированное управление и мониторинг технологического процесса ультразвуковой очистки / Д.С. Фатюхин И Автоматизация и современные технологии. - 2012. - №2. С. 25-29.

11. Фапохин, Д.С. Технология ультразвуковой очистки датчиков кислорода (лямбда-зондов) / Д.С. Фапохин // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2012. -№1.С. 16-19.

12. Fatyukhin, D.S.Ultrasonic cleaning equipment for automobile components / Fatyukhin D.S. // Russian Engineering Research. 2012. T. 32. № 3. C. 305-307.

13. Фатюхин, Д.С. Изучение влияния кавитационной эрозии на деформацию и разрушение изделий из стали 45 / В.А. Александров, Д.С. Фатюхин // Деформация и разрушение материалов. - 2012. - №10. С. 38-40.

14. Фатюхин, Д.С. Совершенствование технологии ремонтной покраски транспортной техники с использованием ультразвука / С.К. Сундуков, ДС. Фатюхин // В мире научных открытий. - 2012. -№2.6 (26). С. 58-68.

15. Фатюхин, ДС. Ультразвуковой диспергатор для получения дизельных топливных эмульсий / А.Ю. Дунин, Р.И. Нигметзянов, Д.С. Фатюхин // Вестник МАДИ.-2012.-№1(28). С. 76-81.

16. Фатюхин, Д. С. Эффективность применения ультразвука в технологическом процессе покраски / А.Н. Ливанский, Р.И. Нигметзянов, С.К. Сундуков, Д.С. Фатюхин // Наукоёмкие технологии в машиностроении. - 2012. -№2. С. 14-18.

17. Фатюхин, Д.С. Наукоёмкие технологии ультразвуковой очистки крупногабаритных корпусных деталей / В.М. Приходько, ДС. Фапохин, Е.Г. Юдаков И Наукоёмкие технологии в машиностроении. - 2012. - № 1. С. 17-20.

18. Фатюхин, Д.С. Ультразвуковая очистка, неповреждающая поверхности изделий / Д.С. Фатюхин // Вестник машиностроения. - 2011. - №9. С. 53-57.

19. Фатюхин, ДС. Автоматизация процессов ультразвуковой обработки жидких сред / С.К. Сундуков, Д.С. Фатюхин, Е.Г. Юдаков // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - 2011. - №11. С. 25-28.

20. Фатюхин, Д.С. Экологические аспекты технологии ультразвуковой очистки / Д.С. Фатюхин II Безопасность труда в промышленности. - 2011. - №8. С. 25-28.

21. Фатюхин, ДС. Влияние ультразвуковых радиальных колебаний на процесс разборки гладких соединений / В.Ф. Казанцев, Р.И. Нигметзянов, В.М. Приходько, ДС. Фатюхин, СК.Сундуков// Сборка в машиностроении и приборостроении. - 2011. - №1(126). С. 30 - 34.

22. Фатюхин, Д.С. Совмещенный процесс ультразвуковой разборки и очистки деталей машин / Р.И. Нигметзянов, В.М. Приходько, ДС. Фатюхин // Сборка в машиностроении и приборостроении. - 2011. - №5( 130). С. 30 - 34.

23. Фатюхин, ДС. Ультразвуковое технологическое оборудование для очистки деталей транспортного машиностроения / Д.С. Фатюхин // СТИН (Станки Инструмент). - 2011. - №12. С. 31-34.

24. Фатюхин, Д.С. Влияние ультразвуковой кавитации на состояние поверхности конструкционных сталей / О.В. Чудина, В.А. Александров, ДС. Фатюхин // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2011. - №2.

25. Фапохин, ДС. О возможности расширения зоны активной кавитационной эрозии при высокоамплитудной ультразвуковой очистке / Л.О. Макаров, ДС. Фатюхин //Весгаик МАДИ. -2011. -№2(25). С. 29-33.

26. Фатюхин, Д.С. Экспериментальные исследования влияния параметров ультразвуковой очистки на величину кавитационной эрозии / Д.С. Фатюхин // Вестник МЛДИ- - 2011. - №4(27). С. 38-42.

27. Фатюхин, Д.С. Наукоёмкие технологии в машиностроении с применением ультразвука / В.М. Приходько, Д.С. Фатюхин, В.Ф. Казанцев, Р.И. Нигметзянов // Наукоёмкие технологии в машиностроении. - 2011. - №1. С. 29-37.

28. Фатюхин, Д.С. Наукоёмкие ультразвуковые технологии очистки изделий машиностроения / Д.С. Фатюхин // Наукоёмкие технологии в машиностроении. -

2011.-№2. С. 9-13.

29. Фатюхин, Д. С. Изменение шероховатости поверхностей деталей машин под действием ультразвуковой жидкостной обработки / Д.С. Фатюхин // Вестник МАДИ(ГТУ). -2010. -№4(23). С. 30-35.

30. Фатюхин, Д.С. Технология ультразвуковой очистки топливной аппаратуры в осесимметричных ультразвуковых ваннах [Текст] / В.М. Приходько, ДС. Фатюхин, АЛ. Рухман //Вестник МАДИ(ГТУ). - 2010. -№1(20). С. 47-49.

31. Фатюхин, Д.С. Разработка мобильного комплекса очистки грунта от нефти и нефтепродуктов с применением ультразвукового метода очистки / Г. В. Кустарев, Р. И. Нигметзянов, Д. С. Фатюхин // Приводная техника: технико-аналит. информ. журн. - 2009. - №2(78). С. 2-7.

32. Фатюхин, Д.С. Разработка и применение высокоинтенсивной ультразвуковой установки очистки инжекторов / Приходько В.М., Фатюхин Д.С., Рухман А.А., Рухман Е.П., Коновалов Д.В., Коновалова Л.Г. // Грузовик. 2009. № 12. С. 22-26.

33. Фатюхин, Д.С. Ультразвуковая разборка соединений деталей / Кудряшов Б.А., Сундуков С.К., Фатюхин Д.С. // Грузовик. 2009. № 12. С. 31-33.

34. Фатюхин, Д.С. Взаимосвязь физических явлений, происходящих в ближней и дальней зонах ультразвуковых поршневых высокоамплитудных излучателей / Л.О. Макаров, В.М. Приходько, Д.С. Фатюхин // Вестник МАДИ(ГТУ). - 2009.-№3(18). С. 41-46.

Монографии:

1. Фатюхин, Д.С. Технологическое применение ультразвука в транспортном машиностроении / В. Ф. Казанцев, В. М. Приходько, Д.С. Фатюхин и др. М.: Издательство «Техполиграфцентр», 2007. 112 с.

2. Фатюхин, Д.С. Применение ультразвука при сборочно-разборочных операциях / В.Ф. Казанцев, В.М. Приходько, Д. С. Фатюхин и др.// М. Издательство "Техполиграфцентр"- 2008. 146 с. 500 экз. - ISBN 978-594385-040-0.

3. Фатюхин, Д.С. Физические явления в поле мощного ультразвука / В.Ф.Казанцев, В.М.Приходько, Д.С. Фатюхин // LAP Lambert Academic Publishing. - 2014. 80 с. - ISBN 978-3-659-19555-6.

Полученные патенты:

1. Мобильная лаборатория-мастерская эксплуатационного обслуживания и ремонта автотракторной техники: пат. 12082 Рос. Федерация / Приходько В.М., Иванова Т.Н., Казанцев В.Ф., Калачев Ю.Н., Кудряшов Б.А., Макаров Л.О., Нигметзянов Р.И., Фатюхин Д.С. Опубл. 16.12.99. Бюл. №12.

2. Устройство ультразвуковой очистки изделий: пат. 14862 Рос. Федерация / Приходько В.М., Иванова Т.Н., Калачев Ю.Н., Кудряшов Б.А., Нигметзянов Р.И., Фапохин Д.С., Пинаез Ф. А./ Опубл. 10.092000. Бюл. №25.

3. Устройство для разборки распылителя форсунки: пат. 15092 Рос. Федерация / Приходько В.М., Иванова Т.Н., Калачев Ю.Н., Кудряшов Б.А., Нигметзянов Р.И., Фатюхин Д.С., Пинаев Ф. А., Лукин П. А. / Опубл. 20.09.2000. Бюл. №26.

4. Портативная комплексная установка высокоэффективного технологического ультразвукового оборудования: пат. 16087 Рос. Федерация / Приходько В.М., Иванова Т.Н., Кудряшов Б.А., Калачев Ю.Н., Нигметзянов Р.И., Фапохин Д.С., Пинаев Ф. А., Л уют П. А. /Опубл. 10.12.2000. Бюл. №34.

5. Установка для ультразвуковой очистки: пат. 24125 Рос. Федерация / Приходько В.М., Кудряшов Б.А., Нигметзянов Р.И., Фатюхин Д.С., Лукин П.А., Сафонов Ф. И. Опубл. 27.07.2002. Бюл. №21.

6. Устройство для разборки распылителей форсунок: пат. 2354525 Рос. Федерация / В.М. Приходько, Ю.Н. Калачев, Р.И. Нигметзянов, Д.С. Фатюхин, М. С.Филиппов / опубл. 10.05.2009, бюл. №13.

7. Способ ультразвуковой очистки изделий: пат. 2378058 Рос. Федерация / В.М Приходько, Л.О. Макаров, Д.С. Фатюхин / опубл. 10.01.2010, бюл. №1.

8. Ультразвуковой излучатель для жидкостных нагрузок с промежуточным резонатором: пат. 95563 Рос. Федерация / В.М Приходько, Л.О. Макаров, Д.С. Фаттохик / опубл. 10.07.2010, бюл. №9.

9. Ультразвуковое устройство для разборки распылителей форсунок: пат. 103774 Рос. Федерация / В. Ф. Казанцев, Р.И. Нигметзянов, В.М. Приходько, С.К. Сундуков, Д.С. Фатюхин / опубл. 27.04.2011, бюл. № 12.

10. Установка для ультразвуковой очистки: пат. 109027 Рос. Федерация / Р.И. Нигметзянов, В.М. Приходько, Е.П. Рухман, Д.С. Фатюхин / опубл. 10.10.2011 бюл. №28.

11. Устройство ультразвукового распыления жидкой среды: пат. 130238 Рос. Федерация / Р.И. Нигметзянов, С.К. Сундуков, A.A. Рухман, Д.С. Фатюхин / опубл. 20.07.2013 бюл. №20.

12. Устройство для ультразвуковой обработки изделий: пат. 130240 Рос. Федерация / Р.И. Нигметзянов, С.К. Сундуков, Д.С. Фатюхин, Е.Г. Юдаков / опубл. 20.07.2013 бюл. №20.

Подписано в печать 19.09.2014 г. Формат 60x84/16.

Усл. печ.л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ 277. МАДИ, 125319, Москва, Ленинградский пр-т, 64.