Moscow, Moscow, Russian Federation
Moskva, Russian Federation
Moscow, Moscow, Russian Federation
UDK 534-8 Колебания очень высокой частоты (малых длин волн). Ультразвуковые колебания
UDK 621.92 Шлифование и подобные процессы. Абразивные материалы. Шлифовальные станки. Дробление. Измельчение. Сортировка (сепарация, классификация). Смешивание
To meet the requirements affecting the quality of functional coatings, various technologies are currently being used, one of which is the use of ultrasonics. To form functional coatings, ultrasonics are used both at the stage of surface preparation and at the stage of coating deposition. Thus, at the stage of surface preparation, ultrasonics allow making surface preclean, ensuring the necessary surface roughness due to ultrasonic rolling, as well as preactivation of the surface before nitriding due to surface plastic deformation. In case of coating deposition, ultrasonics contribute to better nitriding and painting. However, ultrasonic equipment used in various preparation and coating deposition processes differs significantly in its characteristics. Thus, the ultrasonic generators vary in alternator capacity, specific material consumption, actual frequency, as well as design features that ensure stable operation, for example, automatic frequency control. The converters differ from each other in accomplishable amplitudes, power and actual frequency. In this regard, the aim of the work is to develop recommendations on the use of ultrasonic equipment in various technical processes for the creation of functional coatings. The paper studies ultrasonic equipment used in surface preparation and functional coating application process. The main process-dependent parameters aimed at choosing the required equipment have been characterized. Recommendations are given on the use of ultrasonic equipment for various functional coatings generation, when a converter-generator couple is found and it meets the requirements for most surface preparation and coating deposition processes.
ultrasonics, oscillatory system, ultrasonic generator, functional coating, nitriding, painting system
Введение
Обеспечение качества функциональных покрытий, применяемых в машиностроении, в настоящее время является приоритетной задачей развития промышленности, что обуславливается внешними вызовами и активно проводимым импортозамещением. Для выполнения требований, влияющих на качество, активно разрабатываются различные методы нанесения покрытий, интенсифицировать которые можно за счет применение ультразвуковых колебаний.
Ультразвуковые колебания показали свою эффективность в различных процессах, как подготовки поверхности перед нанесением функциональных покрытий, так и непосредственно в процессе нанесения покрытия.
На этапе подготовки поверхности ультразвук успешно применяется в таких процессах, как:
‒ предварительная очистка обрабатываемой поверхности перед нанесением покрытия;
‒ создание необходимой величины шероховатости поверхности методом ультразвуковой прокатки;
‒ предварительная активация поверхности перед процессом азотирования за счет предварительного поверхностного пластического деформирования (ППД).
Ультразвук показал свою эффективность при очистке различных поверхностей, как простой, так и сложной формы, за счет использования кавитации и акустических потоков. Применение ультразвука позволяет многократно интенсифицировать процессы, происходящие в жидкости при очистке. Помимо повышения качества очистки ультразвук положительно влияет на поверхность при ППД. В этом случае за счет ультразвука при меньшем усилии прижима достигается требуемая шероховатость. Кроме того, ультразвук позволяет повысить глубину азотированного слоя за счет ППД перед азотированием в промежутке между операциями закалки и отпуска [1].
Также ультразвук эффективно влияет на процессы нанесения функциональных покрытий, такие как азотирование и нанесение лакокрасочных материалов (ЛКМ).
Однако при всех достоинствах ультразвука номенклатура используемых в данный момент колебательных систем и генераторов очень широка, что обуславливает сложности разработки новых технологий применения ультразвуковых колебаний на различных этапах создания функциональных покрытий. В связи с этим целью работы является разработка рекомендаций по использованию ультразвукового оборудования в различных технологических процессах создания функциональных покрытий.
Анализ оборудования и требований
к нему
Применение ультразвука при кристаллизации, очистке, воздействии на поверхность металла, распылении, воздействии на жидкость требует увеличения мощности при высокой эффективности и долговечности аппаратуры [2]. Также важным требованием является обеспечение стабильности режимов ультразвуковой обработки.
Исследование эффективности работы ультразвуковых установок показало, что выпускаемое серийное оборудование не удовлетворяет современным требованиям. Например, для генератора УЗГ 3-4 отношение массы к мощности составляет порядка 150 кг/кВт. Анализ энергетических аспектов введения ультразвуковых колебаний в нагрузку позволяет сформулировать технические требования к ультразвуковому оборудованию, предназначенному для использования в технологических процессах, связанных с нанесением функциональных покрытий:
– воздействия на поверхность твердого металла при температурах от комнатной до 600 ℃ (упрочнение поверхностного слоя и выглаживание поверхности);
– ультразвуковой очистки наружных поверхностей и поверхностей внутренних полостей изделий машиностроения;
– ультразвукового распыления вязких жидкостей.
Воздействие на поверхность твердого металла для выглаживания не требуется использования ультразвуковых установок большой мощности. В таком случае система может быть построена на базе генератора мощностью до 1,0 кВт, однако амплитуда колебательных смещений инструмента должна быть не менее 15…20 мкм.
Для очистки наружных поверхностей большинства деталей сложной формы и обработки внутренних поверхностей необходимо применение излучателей стержневого типа, позволяющих реализовать в жидкости удельную акустическую мощность более
12 Вт/см2. Для этого используются генераторы мощностью, не превышающей
3,0…4,0 кВт, обладающие высоким КПД (не менее 90 %) и удельной материалоемкостью генератора не более 10 кг/ кВт.
Существует большое количество ультразвуковых генераторов, позволяющих проводить ультразвуковые операции при широком спектре параметров. Доступные в Российской Федерации ультразвуковые генераторы имеют различные мощность, рабочие частоты и конструктивные особенности, примеры используемых генераторов с основными характеристиками представлены в табл. 1.
Наиболее распространенными являются генераторы УЗГ5-4,0/22, УЗГ17-2,0/22, УЗГ-2-22. Они предназначены для питания магнитострикционных преобразователей ультразвуковых колебательных систем различного технологического назначения. Эти генераторы отличаются удельной материалоемкостью, которая составляет 13,12; 11,25 и 3,5 кг/ кВт соответственно
Наиболее сбалансированным можно отметить УЗГ-2-22, внешний вид которого представлен на рис. 1. Генератор позволяет в широком частотном диапазоне решать исследовательские задачи, измерять амплитуду, ток, частоту, потребляемую мощность и другие параметры, снижать и исследовать амплитудно-частотные характеристики. Имея массу в 7,0 кг, данный генератор развивает мощность в 2,0 кВт, за счет чего превосходит генераторы УЗГ5-4,0/22 и УЗГ17-2,0/22 в удельной материалоемкости.
Помимо генераторов существует множество различных ультразвуковых преобразователей, как магнитострикционных (ПМС), так и пьезокерамических (ПП). Примеры используемых преобразователей с основными характеристиками представлены в табл. 2.
В качестве электроакустического преобразователя для работы в непрерывном режиме, которым является режим работы при технологических процессах, связанных с нанесением функциональных покрытий, наиболее рационально использовать магнитострикционные преобразователи с мощностью до 3,0 кВт.
Наиболее универсальным магнитострикционным преобразователем является ПМС1-1,0/22, внешний вид которой представлен на рис. 2. Данный ПМС является универсальным за счет оптимального соотношения мощность/амплитуда, что позволяет использовать ее в различных процессах обработки.
Данный преобразователь применяется для широкого спектра процессов ‒ сварки, размерной и жидкой обработки и т. п. Магнитострикционный эффект обеспечивает пакет пластин из пермендюра 49К2Ф. Однако для работы ПМС1-1,0/22, как и любого магнитострикционного преобразователя, необходимо охлаждение, что накладывает определенные ограничения на условия эксплуатации.
Подбор оборудования для конкретной технологии зачастую зависит от параметров процесса или материала, которые необходимо обеспечить.
Например, для нанесения лакокрасочного покрытия могут использоваться как магнитострикционные [3], так и пьезокерамические колебательные системы [4].
Экспериментальное исследование по влиянию ультразвука на процессы подготовки и распыления ЛКМ, проводимое с помощью магнитострикционной колебательной системы представлено в работе [3]. Описываемая колебательная система (КС) является аналогом ПМС1-1,0/22 и позволяет достигать амплитуд в 10 мкм, которые, в свою очередь, можно увеличить до 70 мкм с помощью рабочего инструмента различных конструкций. При подготовке ЛКМ достигаются амплитуды до 20 мкм, большие значения не рассматриваются по причине сильного нагрева ЛКМ, что снижает его характеристики.
В работе [4] описана конструкция инструмента для пневмоультразвукового распыления, где в качестве электроакустического преобразователя выступют пьезоэлектрические пластины. В самой работе марка пластин не указана, однако результаты применения данной конструкции показывают высокую эффективность ее применения, что позволяет говорить о целесообразности использования пьезокерамики для распыления с помощью ультразвука.
В работе [5] описано ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование (УППД), которое проводится перед азотированием. УППД проводилось на токарном станке ультразвуковым комплектом, состоящим из генератора УЗГ 02/22 и магнитострикционного преобразователя ПМС-063. Обработка осуществлялась сферическим индентором с радиусом закругления 5,0 мм на следующих режимах: мощность генератора 200 Вт; амплитуда колебания индентора 10 мкм; усилие прижима индентора 75 Н [5].
В работе [6] представлен расчет электрических параметров пакета УКС. Максимально допустимая электрическая мощность возбуждения разрабатываемого пакета УКС составила 3,9 кВт; величина тока подмагничивания – 7,26 А; эффективное значение полного тока – 8,12 А; амплитуда напряжения возбуждения – 744,4 В; амплитуды колебательных смещений на выходе с магнитострикционного преобразователя – 4,27 мкм; амплитуда колебательных смещений на конце волновода –
8,71 мкм. Для разработанной УКС с целью интенсификации газового азотирования выбран ультразвуковой генератор УЗГ-2-22, т. к. его технические характеристики отвечают необходимым условиям при решении поставленных задач. Авторами предполагается, что указанная связка «ультразвуковой генератор-колебательная система» позволяет за счет достигаемых параметров мощности и амплитуды достичь высоких результатов.
В работе [7] рассмотрены особенности переноса микрочастиц на поверхности LiNbO3 при возбуждении в пластине различных мод и взаимодействие пьезоэлектрического поля с микрочастицами с соответствующим влиянием на процесс их переноса вдоль поверхности LiNbO3. В эксперименте использовалась пластина ниобата лития толщиной среза 630 мкм. Для возбуждения УЗ-волн она размещалась на заземленном металлическом основании. На верхнюю грань пластины LiNbO3 наносился медный электрод шириной 1,0 мм. Приложение высокочастотного электрического напряжения V между электродами приводило к возбуждению в пластине УЗ-волн Лэмба. Исследования проводились на двух частотах,
f1 = 3,7 МГц и f2 = 5,2 МГц. Результаты показали эффективность метода для переноса микрочастиц.
Подбор универсального оборудования
Анализ источников показывает, что в различных технологических процессах создания функциональных покрытий используются различные комплекты ультразвукового оборудования, которые серьезно отличаются друг от друга [1, 5, 8].
Также анализ показывает, что основными параметрами обработки, как правило, указывается амплитуда колебаний, частота колебаний и мощность.
Главным параметром обработки в технологических процессах создания функциональных покрытий в работах [9, 10] является амплитуда колебаний. Ее оптимальное значение варьируется от 2,0…3,0 мкм до 25 мкм в зависимости от процесса. Однако значения амплитуды свыше 25 мкм не рассматриваются ввиду отсутствия такой необходимости. В связи с этим к ультразвуковому оборудованию предъявляется требование по обеспечению амплитуды в широком диапазоне от
2,0 до 25 мкм. Амплитуда колебаний определяется конструкцией колебательной системы и рабочего инструмента.
Два других фактора влияют на технологические процессы меньше, чем амплитуда. Частота колебаний может влиять на процесс, но она ограничивается применяемым оборудованием, поскольку каждая КС работает на своей резонансной частоте. Анализ существующего ультразвукового оборудования показал, что наиболее распространенной является резонансная частота 22 кГц. Это обуславливается наибольшей эффективностью колебательных систем, работающих на этой частоте одновременно с соответствием требованиям, предъявляемым к ультразвуковым установкам для работы в промышленности. Требуемая величина мощности обуславливается необходимостью передавать через колебательную систему необходимое количество энергии в технологическую среду. Для рассматриваемых технологических процессов мощность более 3,0…4,0 кВт является избыточной.
Учитывая вышеизложенное, в качестве рационального комплекта ультразвукового оборудования предлагается использовать УЗГ-2-22 и ПМС1-1.0/22. Такая комбинация позволяет эффективно провести операции предварительной подготовки поверхности перед нанесением функциональных покрытий, а также непосредственно наносить покрытие.
1. Perevalova O.B., Panin A.V., Sinyakova E.A. Features of surface hardening of 12Cr ferritic-martensitic steel when combining ion-plasma nitriding and ultrasonic treatment // Physics and chemistry of materials processing, 2012, no. 3, pp. 43-50
2. Technological application of ultrasound in transport engineering / O.V. Abramov, V.O. Abramov, V.V. Artemyev, et al. Moscow.: Publishing house «Techpoligraftsentr», 2007, 112 p.
3. Nigmetzyanov R.I., Sundukov S.K., Fatyukhin D.S. Application of ultrasonic technologies for the preparation of paintwork material for its application // Bulletin of the Moscow Automobile and Road State Technical University (MADI), 2014, no. 2 (37), pp. 36-43, EDN SDMOWZ.
4. Sundukov S.K., Chendarov A.S., Fatyukhin D.S. Ultrasonic technology for obtaining paint materials // Youth and knowledge are a guarantee of success: proceedings of the International Scientific and Technical Conference, Kursk, December 17-18, 2014 / Executive editor: Razumov M.S. Kursk: CJSC «University Book», 2014. pp. 402-407. EDN TGAHRZ.
5. Kovalevskaya Zh.G., Uvarkin P.V., Tolmachev A.I. Investigation of the influence of turning defects on the formation of the surface microrelief of steel at ultrasonic finishing treatment // Metalworking (technology, equipment, tools), 2012, no. 1 (54), pp. 14-18. EDN OXWXTD.
6. Perekrestova V.A., Sukhov A.V., Levushkina N.V., Nigmetzyanov R.I. Calculation of the main parameters of the ultrasonic oscillatory system for the intensification of gas nitriding processes // Science intensive technologies in mechanical engineering, 2021, no. 10 (124), pp. 11-17. DOIhttps://doi.org/10.30987/2223-4608-2021-10-11-17. EDN HFLLYD.
7. Gorb A.N., Korotchenkov O.A. Ultrasound-stimulated translation of microparticles on the surface of a LiNbO3 plate // Technical Physics Letters, 2002, vol. 28, no. 17, pp. 67-73. EDN RYRABP.
8. Chudina O.V., Simonov D.S., Simonova T.S., Litovchenko A.N. Increasing in efficiency of surface hardening of structural steels by HFC hardening and ultrasonic treatment // Hardening technologies and coatings, 2023, vol. 19, no. 9 (225), pp. 427-431. DOIhttps://doi.org/10.36652/1813-1336-2023-19-9-427-431. EDN APAVCM.
9. Chudina O.V., Prikhodko V.M., Simonov D.S. On the issue of the development of highly effective combined processes for surface hardening of transport engineering parts // Technological support and quality improvement of engineering and aerospace industries: proceedings of the 14th International Scientific and Technical Conference dedicated to the 50th anniversary of the Bryansk Scientific School of Engineering Technologists, Bryansk, 05-07 October 2022. Bryansk: Bryansk State Technical University, 2022, pp. 178-183. EDN NCHRLN.
10. Prikhodko V.M., Simonov D.S. Ultrasound in hybrid technologies of production processes // Transactions of the Crimean Engineering and Pedagogical University, 2022, no. 3 (77), pp. 191-196. DOIhttps://doi.org/10.34771/UZCEPU.2022.77.3.037. EDN FVTQCP.
