RU2005103594A

RU2005103594A - Способ ультразвуковой ударной механической обработки поверхностей корпуса для исправления дефектов и упрочнения рабочих поверхностей

Info

Publication number: RU2005103594A
Application number: RU2005103594/02A
Authority: RU
Inventors: Ефим С. СТАТНИКОВ (US); Ефим С. СТАТНИКОВ
Original assignee: Ю.Ай.Ти., Л.Л.С. (Us); Ю.Ай.Ти., Л.Л.С.
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2005-07-27
Also published as: WO2004013359A1; EP1552028A1; AU2003247341A1; EP1552028A4; CA2491743A1; RU2387531C2

Claims

1. Способ ультразвуковой ударной механической обработки рабочей поверхности корпуса металлической заготовки, имеющей различную конфигурацию и различную массу, который предусматривает нанесение ультразвуковых ударов при помощи набора ультразвуковых ударных элементов в ответ на периодические вибрации ультразвукового силового источника, причем набор ударных элементов соударяется с рабочей поверхностью корпуса заготовки в отдельных местоположениях внешней поверхности за счет ударов индивидуальных ударных элементов в наборе, в противоположность этому, в случайном или контролируемом асимметричном ультразвуковом режиме, в результате чего возбуждается достаточная кинетическая энергия в индивидуальных ударных элементах набора для того, чтобы вызывать при столкновении с рабочей поверхностью как изменение текстуры рабочей поверхности, так и деформации субповерхностной области корпуса заготовки.

2. Способ по п.1, который дополнительно предусматривает движение индивидуальных ударных элементов между периодически вибрирующим ультразвуковым источником и рабочей поверхностью в режиме свободного осевого движения.

3. Способ по п.1, который дополнительно предусматривает передачу эффективного количества кинетической энергии индивидуальным ударным элементам, позволяющую сжимать металлический корпус заготовки в ответ на удары индивидуальных ударных элементов в рабочую поверхность.

4. Способ по п.1, который дополнительно предусматривает создание заданной картины текстуры на рабочей поверхности.

5. Способ по п.4, который дополнительно включает в себя операцию отделки поверхности в процессе подготовки рабочей поверхности, проводимую за счет соударения индивидуальных ударных элементов с рабочей поверхностью, чтобы создать шероховатую микротекстуру поверхности для сцепления с ней защитного покрытия.

6. Способ по п.4, который дополнительно включает в себя операцию отделки поверхности для сглаживания следов обработки инструментом в текстуре рабочей поверхности, проводимую за счет соударения индивидуальных ударных элементов с рабочей поверхностью.

7. Способ по п.4, который дополнительно включает в себя операцию отделки поверхности с созданием сжатого поверхностного слоя материала, проводимую за счет соударения индивидуальных ударных элементов с рабочей поверхностью.

8. Способ по п.4, который дополнительно предусматривает сканирование зоны обработки рабочей поверхности при помощи набора ударных элементов, чтобы получить главным образом однородную картину текстуры поверхности.

9. Способ по п.1, который дополнительно предусматривает пластическое деформирование интергранулярных неоднородностей за счет деформирования субповерхностного металла корпуса заготовки при помощи ударов индивидуальных ударных элементов.

10. Способ по п.1, который дополнительно предусматривает коррекцию структурных дефектов корпуса заготовки, вызванных сваркой/ механической обработкой или шлифованием, при помощи ультразвукового пластического деформирования корпуса заготовки.

11. Способ по п.1, который дополнительно предусматривает проведение начальной механической обработки корпуса заготовки для удаления дефектов в виде пор, отслоения и трещин, стабилизацию корпуса заготовки за счет ультразвуковых ударов элементов в корпус заготовки, проведение отделки, и создание текстуры рабочей поверхности за счет воздействия на указанный корпус заготовки при помощи ударов от набора ультразвуковых ударных элементов.

12. Способ по п.1, в котором корпус заготовки представляет собой гребной винт, имеющий лопасть, ступицу и поверхности галтели неправильной формы, и который дополнительно предусматривает механическую обработку лопасти, ступицы и поверхностей галтели при помощи ударов от набора ударных элементов.

13. Способ по п.1, который дополнительно предусматривает использование преобразовательной матрицы со средством нанесения ударов, которая содержит совершающую ультразвуковые колебания ступень выдачи мощности преобразователя, с поверхностью, которая совершает периодические колебания на единственной ультразвуковой частоте и адаптирована для соударения в режиме передачи энергии с индивидуальными ударными элементами в наборе, в результате чего происходит передача кинетической энергии индивидуальным ударным элементам в наборе, установку средства передачи энергии на рабочей поверхности, для приема энергии, переданной при помощи индивидуальных ударных элементов, и обеспечение свободного осевого движения индивидуальных ударных элементов в наборе между поверхностью ступени выдачи мощности и рабочей поверхностью, с отскакиванием после передачи энергии рабочей поверхности, чтобы вновь получать энергию от поверхности ступени выдачи мощности, в результате чего соответствующие индивидуальные ударные элементы в наборе вибрируют случайным образом или в контролируемом асимметричном режиме по отношению к периодической частоте колебаний поверхности ступени выдачи мощности в режиме передачи энергии.

14. Способ по п.13, который дополнительно предусматривает введение в матрицу преобразователя, между ступенью ввода ультразвуковой мощности и ступенью выдачи мощности, набора взаимосвязанных ступеней передачи мощности, имеющих соответствующие индивидуальные собственные частоты, гармонически связанные с частотой периодических колебаний, так чтобы получить повышение добротности и более высокую скорость движения индивидуальных ударных элементов.

15. Способ по п.14, который дополнительно предусматривает выбор собственных частот взаимосвязанных ступеней передачи мощности, кратных собственной частоте источника периодически вибрирующей мощности возбуждения.

16. Способ по п.15, который дополнительно предусматривает концентрирование периодической частоты колебаний в ультразвуковых ударных элементах и осуществление вибрации ультразвуковых ударных элементов на более высокой скорости, для того, чтобы максимально повысить передачу энергии движения от поверхности ступени выдачи мощности колебаний к ультразвуковым ударным элементам.

17. Способ по п.16, который дополнительно предусматривает передачу эффективного количества кинетической энергии для преобразования кинетической энергии в потенциальную энергию, достаточную для того, чтобы пластифицировать рабочую поверхность корпуса заготовки на существенную рабочую глубину под рабочей поверхностью и сжимать корпус заготовки с уровнем энергии, равным прочности материала корпуса заготовки или выше него.

18. Способ по п.14, который дополнительно предусматривает установление в каждой ступени передачи мощности равного мгновенного активного сопротивления R, эффективного для передачи мощности индивидуальным инденторным элементам от поверхности ступени выдачи мощности и для передачи энергии колебаний преобразователя через индивидуальные инденторные элементы к корпусу заготовки через рабочую поверхность.

19. Способ по п.13, который дополнительно предусматривает сканирование зоны обработки рабочей поверхности заготовки в соответствии с регулярной схемой, при помощи набора ударных элементов, поддерживаемых при помощи механического механизма сканирования, для того, чтобы создавать на рабочей поверхности однородную картину поверхностной текстуры за счет воздействия индивидуальных ударных элементов.

20. Способ ультразвуковой ударной механической обработки для повторной обработки поверхности металлического корпуса, адаптированной для взаимодействия со сжатием от сопряженной поверхности, который предусматривает приложение ультразвуковой ударной энергии к металлической поверхности при помощи свободно летящих ударных игл с ультразвуковым возбуждением, обладающих эффективным количеством переданной им кинетической энергии для ее преобразования в потенциальную энергию, достаточным для того, чтобы сжимать слой рабочей поверхности, в результате чего создается возможность приложения сжимающей силы к сопряженной поверхности, приближающейся к пределу прочности металлического корпуса.

21. Способ ультразвуковой ударной механической обработки рабочих поверхностей корпусов металлических заготовок, имеющих различные конфигурации и распределения масс в выбранных поверхностных зонах, адаптированный для взаимодействия со сжатием с сопряженными поверхностями, в результате чего создаются более высокие уровни сжимающей сопряженной силы, который предусматривает сканирование выбранной поверхностной зоны корпуса металлической заготовки при помощи наборов свободно движущихся ударных элементов, приведение в движение и передачу кинетической энергии ударным элементам, в ответ на упор в поверхность возбуждения ультразвукового преобразователя энергии, совершающую периодические колебания, соударение с поверхностной зоной ударных элементов, для преобразования кинетической энергии в потенциальную энергию, с амплитудой, позволяющей деформировать как поверхностную, так и смежные субповерхностные области корпуса металлической заготовки, в поверхностном слое существенной глубины, для того, чтобы управлять конфигурацией корпуса заготовки, текстурой, твердостью, сжимающими напряжениями, контактной прочностью и/или пределами усталости, и устранять структурные дефекты.

22. Способ по п.21, который дополнительно предусматривает сканирование выбранной поверхностной зоны корпуса металлической заготовки при помощи наборов ударных элементов при заданной картине движения.

23. Способ по п.21, который предусматривает исправление поверхностных дефектов заготовки, вызванных механической обработкой или шлифованием, за счет деформирования поверхностной структуры металлической заготовки за счет ударов при помощи наборов ударных элементов.

24. Способ по п.21, в котором металлический корпус заготовки представляет собой литой гребной винт, имеющий поверхностные и субповерхностные дефекты, влияющие на срок службы и эксплуатационные качества, причем способ дополнительно предусматривает увеличение срока службы гребного винта.

25. Способ по п.21, в котором металлический корпус заготовки представляет собой литой гребной винт, имеющий остаточные сварочные напряжения в зонах проведенной ранее сварки, который дополнительно предусматривает релаксацию остаточных сварочных напряжений за счет ударов ударных элементов в поверхность гребного винта в непосредственной близости от зон сварки.

26. Способ по п.21, в котором металлический корпус заготовки представляет собой литой гребной винт, имеющий остаточные растягивающие напряжения, вызванные механической обработкой, который дополнительно предусматривает релаксацию остаточных растягивающих напряжений и введение сжимающих напряжений за счет ударов при помощи наборов ударных элементов в поверхность гребного винта.

27. Способ изготовления металлического гребного винта на финальной стадии изготовления, который предусматривает механическую обработку поверхностей гребного винта в процессе ультразвуковой ударной механической обработки, причем способ предусматривает проведение механической обработки поверхности гребного винта за счет ударов в поверхность при помощи свободно летящих ударных элементов, передающих эффективное количество кинетической энергии для преобразования в потенциальную энергию, достаточную для деформирования и сжатия поверхностной и субповерхностной зон удара на поверхности гребного винта.

28. Способ по п.27, который дополнительно предусматривает сканирование при помощи ультразвукового преобразователя, снабженного множеством ударных элементов, выбранных зон поверхности гребного винта, чтобы передавать энергию колебаний от множества ударных элементов, для того, чтобы деформировать и сжимать поверхностную и субповерхностную области гребного винта и создавать заданную поверхностную текстуру.

29. Способ ультразвуковой ударной поверхностной обработки поверхности металлического корпуса, для приложения сжимающих сил к сопряженной поверхности для исправления поверхностных и субповерхностных дефектов, который предусматривает преобразование кинетической энергии за счет ударов в поверхность металлического корпуса при помощи набора индивидуально приводимых в движение ударных элементов, вибрирующих в диапазоне ультразвуковых частот, в потенциальную энергию, для того, чтобы деформировать и сжимать поверхностную и субповерхностную структуры поверхности металлического корпуса.

30. Способ по п.29, который дополнительно предусматривает установление случайного или контролируемого апериодического режима возбуждения удара для индивидуально приводимых в движение ударных элементов в наборе ударных элементов, за счет приведения в движение и передачи энергии ударным элементам от периодически вибрирующей на ультразвуковых частотах поверхности, для того, чтобы распределять переносящие энергию удары ударных элементов в различных фазах периодически вибрирующей поверхности.

31. Способ ультразвуковой ударной механической обработки рабочей поверхности металлического корпуса, которая подвержена воздействию сжимающих сил от сопряженной поверхности, проводимый при температурах окружающей среды металлического корпуса, для того, чтобы повысить выходную сжимающую силу рабочей поверхности, который предусматривает соответствующее перемещение небольшой области совершающего свободное осевое движение ударного элемента в рабочую поверхность, с эффективным количеством энергии, для того, чтобы сжимать рабочую поверхность в точках ударов с циклическим графиком нагрузки, позволяющим металлическому корпусу оставаться главным образом при температуре окружающей среды во время механической обработки рабочей поверхности.

32. Система преобразователя для ультразвуковой ударной механической обработки, предназначенная для обработки поверхности металлической заготовки за счет ударов набора вибрирующих на ультразвуковой частоте ударных элементов, для того, чтобы деформировать поверхностные и субповерхностные области, которая содержит ультразвуковой преобразователь, имеющий поверхность упора, которая колеблется на периодической ультразвуковой частоте, и матрицу ударных элементов, которая содержит множество ударных элементов в наборе, выполненных с возможностью индивидуального свободного осевого движения по пути нанесения удара между передающим энергию контактом с поверхностью упора, для приема энергии, и преобразованием энергии удара у поверхности заготовки, в режиме вибрации, создаваемом за счет апериодического режима вибрации ударных элементов набора в различных фазах периодической ультразвуковой частоты.

33. Система преобразователя по п.30, которая дополнительно содержит многоступенчатый ультразвуковой преобразователь с множеством последовательно включенных преобразовательных ступеней, имеющих различные характеристики разностной резонансной частоты, настроенные на частоту, кратную входной частоте ультразвукового генератора мощности, для того, чтобы получить повышение добротности, позволяющее концентрировать скорость колебаний и создавать высокие скорости движения ударных элементов.

34. Металлический корпус, имеющий поверхность, подверженную воздействию сжимающих сил от сопряженной поверхности, который подвергают ультразвуковой ударной механической обработке, для того, чтобы создать сжатый поверхностный слой с повышенной прочностью, позволяющий сжимающим силам приближаться к максимальной прочности поверхности металлического корпуса.

35. Металлический корпус по п.34, в котором поверхность имеет главным образом однородную картину точек ударов с небольшой областью, в которых металл корпуса сжат за счет воздействия имеющих высокую скорость ударных элементов, соударяющихся с металлической поверхностью.

36. Металлическая заготовка, которая содержит рабочую поверхность для взаимодействия со сжатием с сопряженной поверхностью, имеющая профиль рабочей поверхности, полученный за счет ультразвуковой ударной механической обработки рабочей поверхности, с картиной вмятин с небольшой областью, сжимающих материал заготовки.

37. Система преобразователя для ультразвуковой ударной механической обработки металлического объекта, которая включает в себя набор ударных игл, поверхность возбуждения преобразователя, совершающего ультразвуковые периодические колебания, имеющую средство для приведения в движение индивидуальных ударных игл в наборе, с созданием свободного осевого движения в направлении рабочей поверхности обрабатываемого металлического объекта, с эффективным количеством кинетической энергии для преобразования в потенциальную энергию, достаточную для деформирования и сжатия металлического объекта за счет удара.

38. Система преобразователя по п.37, которая дополнительно включает в себя группы ступеней преобразователя, концентрирующие ультразвуковую энергию от входного силового генератора ультразвуковых периодических колебаний, для передачи кинетической энергии ударным иглам и создания движения игл в направлении обрабатываемого металлического объекта, причем указанные ступени имеют механический резонанс на частоте гармоник ультразвукового генератора колебаний и производят повышение добротности, чтобы повысить скорость движения и кинетическую энергию ударных игл, для того, чтобы преобразовать ее в потенциальную энергию, необходимую для деформирования и сжатия рабочей поверхности.

39. Способ изменения характеристик текучести жидкости относительно корпуса, который предусматривает нанесение микрорельефа и макрорельефа на поверхность корпуса при помощи ультразвукового соударения корпуса с набором ультразвуковых ударных элементов, в случайном или контролируемом асимметричном ультразвуковом режиме, причем микрорельеф и макрорельеф соответствуют поверхностному вихревому потоку жидкости, протекающему относительно корпуса.

40. Способ по п.39, который дополнительно предусматривает заполнение микрорельефа и макрорельефа порцией жидкости, протекающей в непосредственной близости от корпуса, для образования защитного слоя на поверхности корпуса и для создания ламинарного течения жидкости относительно корпуса.

41. Металлический корпус, который содержит поверхность, имеющую множество вмятин, образованных за счет ультразвукового соударения с корпусом набора ультразвуковых ударных элементов, в случайном или контролируемом асимметричном ультразвуковом режиме, причем указанные вмятины расположены в соответствии с возможными промежутками между поверхностными вихревыми потоками, которые образуются у поверхности за счет протекания жидкости относительно корпуса.

42. Металлический корпус по п.41, который представляет собой гребной винт.