RU2387531C2 - Procedure for ultra-sonic impact machine treatment of body surfaces to correct defects and to strengthen working surfaces - Google Patents
Procedure for ultra-sonic impact machine treatment of body surfaces to correct defects and to strengthen working surfaces Download PDFInfo
- Publication number
- RU2387531C2 RU2387531C2 RU2005103594/02A RU2005103594A RU2387531C2 RU 2387531 C2 RU2387531 C2 RU 2387531C2 RU 2005103594/02 A RU2005103594/02 A RU 2005103594/02A RU 2005103594 A RU2005103594 A RU 2005103594A RU 2387531 C2 RU2387531 C2 RU 2387531C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ultrasonic
- impact
- product
- propeller
- metal
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
- B23P9/00—Treating or finishing surfaces mechanically, with or without calibrating, primarily to resist wear or impact, e.g. smoothing or roughening turbine blades or bearings; Features of such surfaces not otherwise provided for, their treatment being unspecified
- B23P9/04—Treating or finishing by hammering or applying repeated pressure
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
- B23P6/00—Restoring or reconditioning objects
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
- C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
- C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
- B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING
- B63B59/00—Hull protection specially adapted for vessels; Cleaning devices specially adapted for vessels
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
- B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
- B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
- B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
- B63H1/12—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially in propulsive direction
- B63H1/14—Propellers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Abstract
Description
Область применения изобретенияThe scope of the invention
Настоящее изобретение имеет отношение к созданию способов ультразвуковой ударной станочной обработки изготавливаемых металлических тел различных конфигураций (форм), проводимых для упрочнения поверхностей и исправления внешних и внутренних дефектов изготовления и возникающих при эксплуатации усталостных дефектов, а также к созданию соответствующих устройств, ультразвуковых измерительных преобразователей и, кроме того, имеет отношение к соответствующим обработанным металлическим телам.The present invention relates to the creation of methods of ultrasonic impact machining of manufactured metal bodies of various configurations (forms), carried out to harden surfaces and to correct external and internal manufacturing defects and fatigue defects that occur during operation, as well as to the creation of appropriate devices, ultrasonic transducers and, in addition, it relates to the corresponding machined metal bodies.
Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к приложению ультразвуковой ударной энергии к различным конфигурациям внешней поверхностной зоны обработки металлического изделия при помощи наборов, приводимых в движение за счет ультразвука ударных игл в конфигурации ультразвукового преобразователя, совершающего относительное перемещение для сканирования внешней рабочей поверхности тела изделия, такой как гребной винт, подшипник или другая деталь машины, причем имеющие небольшой диаметр, свободно движущиеся ударные иглы создают достаточную энергию для изменения параметров и свойств поверхности, а также для деформирования и сжатия получивших удар поверхностных областей и смежных субповерхностных областей на существенную глубину.More specifically, the present invention relates to the application of ultrasonic impact energy to various configurations of an external surface treatment zone of a metal product using sets driven by ultrasound of impact needles in the configuration of an ultrasonic transducer making relative movement to scan the external working surface of the body of the product, such like a propeller, bearing or other machine part, moreover having a small diameter, freely moving impact needles with give sufficient energy to modify the parameters and properties of the surface and deformation and compression punch receiving surface areas and the adjacent subsurface areas of a substantial depth.
Предпосылки к созданию изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION
Базовая технология приложения ультразвуковой ударной энергии к поверхности полипропилена и термопластических материалов для сварки или клепки раскрыта в патенте США № 5976314. Однако в нем не раскрыта система, подходящая для повторной обработки подвергнутых станочной обработке металлических изделий при помощи ультразвуковой ударной станочной обработки, за счет которой металлическая поверхность и субповерхностная область под ней деформируются, что позволяет управлять поверхностной текстурой и твердостью изделия, как это происходит в соответствии с настоящим изобретением.The basic technology for applying ultrasonic impact energy to the surface of polypropylene and thermoplastic materials for welding or riveting is disclosed in US Pat. No. 5,976,314. However, it does not disclose a system suitable for reprocessing machined metal products using ultrasonic impact machining, due to which metal the surface and the subsurface region below it are deformed, which allows you to control the surface texture and hardness of the product, as it happens in Compliant with the present invention.
Приложение ультразвуковой энергии к металлическим сварным стыкам раскрыто в патенте США № 3274033, в соответствии с которым рупор преобразователя, создающего ультразвуковые колебания, контактирует непосредственно со сварным швом между примыкающими тонкими панелями из титанового сплава, для обработки дефектов сварки. Однако эта система с рупором преобразователя не может передавать достаточную мощность к массивному металлическому телу изделия, чтобы эффективно проникать на значительное расстояние в субповерхностную область для деформирования и сжатия поверхности и смежных субповерхностных областей и повышения прочности массивных металлических тел, таких как чугунные тела, которые используют в различных инструментальных применениях для компрессионного (со сжатием) взаимодействия (столкновения) с сопряженными поверхностями.The application of ultrasonic energy to metal welded joints is disclosed in US Patent No. 3274033, according to which a horn of a transducer generating ultrasonic vibrations is contacted directly with a weld between adjacent thin titanium alloy panels to process welding defects. However, this system with a converter horn cannot transmit sufficient power to the solid metal body of the product to effectively penetrate a considerable distance into the subsurface region to deform and compress the surface and adjacent subsurface regions and increase the strength of massive metal bodies such as cast iron bodies that are used in various instrumental applications for compression (with compression) interaction (collision) with mating surfaces.
Уже известны различные специальные ударные инструменты для ультразвуковой обработки металла, в том числе преобразователи с ручным управлением, предназначенные для поверхностной деформации и субповерхностной пластификации открытых конфигураций и контуров, таких как цилиндры, сегменты поверхностей вращения и плоских листов, при помощи прямого механического контакта ультразвуковой вибрирующей головки с зоной обработки металлической поверхности. Типичные устройства такого рода описаны в авторских свидетельствах СССР, в том числе: SU 1447646 A1; SU 1263510 А2; SU 1756125 A1; SU 1255405 A1; SU 1576283 A; SU 998104; SU 1214396; SU 1481044 и SU 1703417 A1. Такие технические решения связаны с прямым механическим контактом между головкой ультразвукового преобразователя, колеблющейся на заданной ультразвуковой частоте, и обработанной поверхностью металлического объекта. Раскрытые здесь ультразвуковые преобразователи обычно содержат единственный непосредственно возбуждаемый ударный элемент, объединенный с возбуждающей поверхностью генератора колебаний, который вибрирует на периодической ультразвуковой частоте и который применяют для обработки сварных конструкций для исправления дефектов сварки.Various special percussion instruments for ultrasonic processing of metal are already known, including hand-operated transducers designed for surface deformation and subsurface plasticization of open configurations and contours, such as cylinders, segments of surfaces of revolution and flat sheets, using direct mechanical contact of an ultrasonic vibrating head with a metal surface treatment area. Typical devices of this kind are described in the copyright certificates of the USSR, including: SU 1447646 A1; SU 1263510 A2; SU 1756125 A1; SU 1255405 A1; SU 1576283 A; SU 998104; SU 1214396; SU 1481044 and SU 1703417 A1. Such technical solutions are associated with direct mechanical contact between the head of the ultrasonic transducer, oscillating at a given ultrasonic frequency, and the treated surface of a metal object. The ultrasonic transducers disclosed herein typically comprise a single directly excited shock element combined with an exciting surface of an oscillator that vibrates at a periodic ultrasonic frequency and which is used to process welded structures to correct welding defects.
В патенте Франции № 2662180 описана система для приложения ультразвуковой импульсной энергии для создания пластической поверхностной деформации в местах сварки для исправления дефектов сварки в пластических материалах. Однако в этой публикации не раскрыты удовлетворительные способы или системы для ультразвуковой станочной обработки или конструкция ультразвукового преобразователя, или любая конструкция или способы, которые позволяют успешно создавать и контролировать интенсивность ультразвуковой энергии, достаточную для решения задачи ультразвуковой ударной станочной обработки, так чтобы деформировать как поверхностную, так и субповерхностную структуру на существенную глубину, при различных конфигурациях рабочих граничных поверхностей массивных металлических тел, для компрессионного взаимодействия с сопряженными поверхностями.French Patent No. 2662180 describes a system for applying ultrasonic pulsed energy to create plastic surface deformation at welding sites to correct welding defects in plastic materials. However, this publication does not disclose satisfactory methods or systems for ultrasonic machining or the design of an ultrasonic transducer, or any design or methods that can successfully create and control ultrasonic energy intensity sufficient to solve the problem of ultrasonic impact machining, so as to deform as surface, and the subsurface structure to a significant depth, with various configurations of the working boundary surfaces it is massive metal bodies for compression interaction with mating surfaces.
В публикациях IIW XIII-1617-96 и IIW XIII-1609-95 описаны ручные инструменты для приложения ультразвуковой ударной энергии непосредственно от головки преобразователя, колеблющейся на ударной резонансной частоте задающего генератора. Эти преобразователи представляют собой преобразователи специального назначения с единичными ударными иглами, адаптированные для конфигурации системы, предназначенной для проведения особой функциональной обработки дефектов сварных конструкций.Publications IIW XIII-1617-96 and IIW XIII-1609-95 describe hand tools for applying ultrasonic shock energy directly from the transducer head, oscillating at the shock resonant frequency of the master oscillator. These transducers are special-purpose transducers with single percussion needles adapted for the configuration of a system designed to perform special functional processing of defects in welded structures.
Эти известные ранее системы с ультразвуковыми преобразователями не являются удовлетворительными инструментами, системами или способами для повторной обработки и станочной обработки металлических рабочих граничных поверхностей различных конфигураций, используемых при фрикционном компрессионном контакте и контакте скольжения, который имеется, например, между поверхностями вращающегося подшипника, в тормозных барабанах или клиньях, а также в цилиндрах двигателя, в которых поршни совершают возвратно-поступательное движение со скольжением, гребных винтах и т.п., которые проводят для деформирования поверхностной и субповерхностной структуры, повышения твердости и изменения текстуры, чтобы повысить срок службы при одновременном повышении компрессионных рабочих нагрузок подшипника.These previously known systems with ultrasonic transducers are not satisfactory tools, systems or methods for the reprocessing and machining of metal working boundary surfaces of various configurations used for friction compression contact and sliding contact, which is, for example, between the surfaces of a rotating bearing, in brake drums or wedges, as well as in the engine cylinders, in which the pistons reciprocate with as much as HAND, propellers and the like which are carried to surface deformation and subsurface structure, improve hardness and texture changes to increase the service life while increasing the compression load bearing workers.
Как правило, известные ранее системы с ультразвуковыми преобразователями не позволяют получать достаточно высокую и легко контролируемую ударную мощность на рабочих граничных поверхностях в значительных поверхностных областях металлического изделия, чтобы точно контролировать как поверхностную твердость и текстуру, так и структуру смежной субповерхностной области на существенную рабочую глубину, превышающую допустимые пределы нормального износа. Известные системы производят нагартовку шариками, причем ударные системы с ультразвуковым преобразователем обеспечивают достаточную мощность для того, чтобы достичь температур пластической деформации, достаточных для деформационной обработки в расплавленном или пластифицированном состоянии. Однако в соответствии с настоящим изобретением получают достаточную ультразвуковую ударную мощность для того, чтобы эффективно достичь предела прочности материала тела и за счет этого модифицировать поверхностный слой.As a rule, previously known systems with ultrasonic transducers do not allow obtaining sufficiently high and easily controlled impact power on working boundary surfaces in significant surface areas of a metal product in order to precisely control both surface hardness and texture, and the structure of an adjacent subsurface region to a significant working depth, exceeding the limits of normal wear and tear. Known systems produce bead-hitting, and shock systems with an ultrasonic transducer provide sufficient power in order to reach plastic deformation temperatures sufficient for deformation processing in a molten or plasticized state. However, in accordance with the present invention, sufficient ultrasonic impact power is obtained in order to effectively achieve the tensile strength of the body material and thereby modify the surface layer.
Таким образом, известные ранее системы и способы не представляют собой универсальные системы и способы с ультразвуковым преобразователем, которые подходят по размеру, мощности и управлению для выполнения таких рабочих функций, которые желательны для ремонта или изготовления металлических рабочих граничных поверхностей, имеющих компрессионное взаимодействие с сопряженными поверхностями. Известные ранее технические решения не позволяют также производить деформирование с пластификацией и сжатие поверхностных и смежных субповерхностных областей на достаточную глубину, в частности, при станочной обработке различных поверхностных конфигураций массивных металлических тел, чтобы получать заданные конечные структуры как в поверхностных, так и в субповерхностных областях обработанного металлического изделия. Ультразвуковые преобразователи высокой мощности также должны иметь ограниченные размеры, чтобы производить станочную обработку внутренних цилиндрических рабочих поверхностей подшипников, шпоночных канавок и т.п.Thus, previously known systems and methods are not universal systems and methods with an ultrasonic transducer, which are suitable in size, power and control to perform such working functions as are desirable for the repair or manufacture of metal working boundary surfaces having compression interaction with mating surfaces . Previously known technical solutions also do not allow deformation with plasticization and compression of surface and adjacent subsurface regions to a sufficient depth, in particular, when machining various surface configurations of massive metal bodies in order to obtain specified final structures in both surface and subsurface regions of the processed metal product. High power ultrasonic transducers must also be of limited size in order to machine the inner cylindrical working surfaces of bearings, keyways, etc.
Кроме того, ультразвуковой преобразователь должен иметь ультразвуковую ударную природу, позволяющую производить станочную обработку металлических объектов с различными конфигурациями взаимодействующих поверхностей на большую глубину. Например, рассмотрим проблемы изготовления и/или ремонта гребного винта, имеющего критические поверхностные характеристики у лопаток, ступиц и галтелей, имеющих различные конфигурации и массы, а также имеющего субповерхностные дефекты различного рода, такие как раковины, коррозия, износ, трещины и сварочные напряжения, которые ухудшают реакцию рабочих поверхностей лопасти гребного винта при подводном компрессионном и скользящем взаимодействии с морской водой. В настоящее время неизвестны успешные многофункциональные системы или способы для ультразвуковой ударной станочной обработки при таких различных наборах условий, которые встречаются при изготовлении и эксплуатационном ремонте морских гребных винтов.In addition, the ultrasonic transducer must have an ultrasonic impact nature, which allows machining of metal objects with various configurations of interacting surfaces to a great depth. For example, we consider the problems of manufacturing and / or repairing a propeller having critical surface characteristics for blades, hubs and fillets having various configurations and masses, as well as having various subsurface defects such as shells, corrosion, wear, cracks and welding stresses, which worsen the reaction of the working surfaces of the propeller blades during underwater compression and sliding interaction with sea water. Currently, successful multifunctional systems or methods for ultrasonic impact machining are not known under such various sets of conditions that are encountered in the manufacture and maintenance of marine propellers.
Типичные известные системы для изготовления и ремонта морских гребных винтов являются дорогими и сложными, причем они включают в себя ряд несовместимых способов обработки, таких как термообработка металлического изделия в печи, создающих дефекты, снижающие срок службы морского гребного винта. Гребные винты обычно получают при помощи процесса литья, когда остаются субповерхностные поры, раковины, трещины и геометрические отклонения от заданной конфигурации. Дефекты изготовления могут быть обнаружены при помощи ультразвуковых, рентгеновских и других испытаний без разрушения. Обычно ремонт производят при помощи циклов термообработки и контролируемого охлаждения, шлифования, станочной обработки, наплавки и т.п., что, в свою очередь, вводит новые механические напряжения, создает усталостные и коррозионные характеристики, а также является дорогим и длительным. В частности, термообработка является критической в присутствии поверхностей сопряжения, вариаций толщины лопасти, неравномерного распределения масс и т.п., что приводит к неравномерному распределению термических деформаций и к неблагоприятным остаточным растягивающим напряжениям, которые ускоряют коррозию, провоцируют разрушения в процессе работы за счет усталости и износа, особенно при воздействии морской воды.Typical known systems for the manufacture and repair of marine propellers are expensive and complex, and they include a number of incompatible processing methods, such as heat treatment of a metal product in an oven, creating defects that reduce the service life of the marine propeller. Propellers are usually obtained using the casting process, when there are subsurface pores, shells, cracks and geometric deviations from a given configuration. Manufacturing defects can be detected by ultrasonic, x-ray and other tests without destruction. Typically, repairs are carried out using cycles of heat treatment and controlled cooling, grinding, machining, surfacing, etc., which, in turn, introduces new mechanical stresses, creates fatigue and corrosion characteristics, and is also expensive and time consuming. In particular, heat treatment is critical in the presence of mating surfaces, variations in blade thickness, uneven distribution of masses, etc., which leads to an uneven distribution of thermal deformations and to unfavorable residual tensile stresses that accelerate corrosion and provoke destruction during operation due to fatigue and wear, especially when exposed to sea water.
Необходимо также производить различные виды поверхностной обработки после внутренней термообработки, например наносить защитные покрытия на лопасть гребного винта и т.п., что, в свою очередь, вводит поверхностные дефекты, которые нарушают функционирование рабочей поверхности. Например, требуемые характеристики поверхности могут простираться от оптической гладкости поверхности до заданной степени шероховатости поверхности, необходимой для сцепления с наружным слоем отделки. В настоящее время неизвестны способы или системы ультразвуковой станочной обработки, которые позволяют обеспечивать указанные условия.It is also necessary to perform various types of surface treatment after internal heat treatment, for example, to apply protective coatings to the propeller blade and the like, which, in turn, introduces surface defects that disrupt the functioning of the working surface. For example, the required surface characteristics can range from optical surface smoothness to a predetermined degree of surface roughness needed to adhere to the outer finish layer. Currently unknown methods or systems of ultrasonic machining that can provide these conditions.
Таким образом, является актуальным обеспечение ультразвуковой станочной обработки рабочих граничных поверхностей изделия, позволяющей достичь заданных гладкости поверхности, твердости, поверхностной деформации, поверхностного рельефа, сжимающих напряжений, фрикционного сопротивления, отражательной способности и коррозионного сопротивления, и позволяющей производить исправление поверхностных и субповерхностных дефектов.Thus, it is relevant to provide ultrasonic machining of the working boundary surfaces of the product, which allows to achieve the specified surface smoothness, hardness, surface deformation, surface relief, compressive stresses, frictional resistance, reflectivity and corrosion resistance, and allowing correction of surface and subsurface defects.
В соответствии с изложенным первой задачей настоящего изобретения является создание новых способов, преобразователей и систем для многофункциональной ультразвуковой ударной станочной обработки, позволяющих производить реструктурирование рабочих поверхностей металлических изделий различных конфигураций во время изготовления или ремонта.In accordance with the stated first objective of the present invention is the creation of new methods, transducers and systems for multifunctional ultrasonic impact machining, allowing restructuring of the working surfaces of metal products of various configurations during manufacture or repair.
Сопутствующей задачей настоящего изобретения является обработка металлических изделий на финальной стадии операций изготовления за счет замены затруднительных и дорогих операций термообработки в печи обработкой с использованием ультразвуковой ударной энергии у поверхности изделия, проводимой при температуре окружающей среды, и подготовка при помощи усовершенствованной преобразовательной матрицы поверхностей металлических изделий, имеющих различные поверхностные конфигурации, для операций изготовления, в которых производят заданные модификации поверхностной текстуры и смежных субповерхностных областей, вводимых после обычных процедур изготовления металлических изделий, таких как шлифование, наплавка, легирование и нанесение защитных покрытий и т.п.An accompanying object of the present invention is the processing of metal products at the final stage of manufacturing operations by replacing the difficult and expensive heat treatment operations in the furnace by processing using ultrasonic shock energy at the surface of the product, carried out at ambient temperature, and preparing, using an improved conversion matrix, the surfaces of the metal products, having various surface configurations for manufacturing operations in which the rear These modifications of the surface texture and related sub-surface areas introduced after the usual procedures for the manufacture of metal products, such as grinding, surfacing, alloying and applying protective coatings, etc.
Другой задачей настоящего изобретения является использование инструментов, систем и способов для ультразвуковой ударной поверхностной и субповерхностной пластической деформации, позволяющей повысить поверхностную прочность металлического изделия, при одновременном снижении сложности и стоимости изготовления.Another objective of the present invention is the use of tools, systems and methods for ultrasonic impact surface and subsurface plastic deformation, which allows to increase the surface strength of a metal product, while reducing complexity and cost of manufacture.
Повышение надежности гребного винта с использованием ультразвуковой ударной станочной обработки достигается за счет направления апериодических силовых импульсов на поверхность изделия при помощи совершающих свободное осевое движение ударных игольчатых элементов, приводимых в движение от первичной поверхности передачи ультразвуковой энергии, вибрирующей на заданной ультразвуковой частоте.Improving the reliability of the propeller using ultrasonic impact machining is achieved by sending aperiodic power pulses to the surface of the product with the help of free axial movement of impact needle elements driven by the primary surface of the transmission of ultrasonic energy vibrating at a given ultrasonic frequency.
Критическим в таких операциях является создание достаточной мощности для деформирования поверхностных и субповерхностных областей изделия на необходимую глубину. Настоящее изобретение позволяет существенно повысить выходную мощность за счет использования преобразователя, возбуждаемого от источника энергии периодической ультразвуковой частоты, и групп ступеней концентрации энергии, работающих на сопряженных более высоких гармонических резонансных частотах, с повышением добротности и с существенно более высокими скоростями, сообщаемыми игольчатым ударным элементам, совершающим свободное осевое движение.Critical in such operations is the creation of sufficient power to deform the surface and subsurface areas of the product to the required depth. The present invention allows to significantly increase the output power through the use of a transducer excited from a periodic ultrasonic frequency energy source, and groups of energy concentration steps operating at conjugate higher harmonic resonant frequencies, with an increase in the quality factor and with significantly higher speeds communicated by needle impact elements, making free axial movement.
Краткое изложение изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Новые способы и системы ультразвуковой ударной станочной обработки позволяют производить обработку имеющих правильную форму, плоских и имеющих неправильную форму рабочих поверхностей металлического изделия, за счет приложения к обработанным поверхностям ультразвуковой ударной энергии от имеющих высокую скорость и небольшой диаметр ударных элементов игольчатой формы. За счет этого критические рабочие поверхностные и смежные субповерхностные области металлических изделий, в том числе гребных винтов, пластически деформируются с созданием заданных поверхностных текстур и повышением твердости и со связанными субповерхностными структурными превращениями, вызванными поверхностным ударом. Ультразвуковой преобразователь имеет совершающую периодические колебания поверхность передачи энергии набору имеющих небольшой диаметр ударных игл, которые имеют свободное осевое движение и соударяются с высокой скоростью с обработанной поверхностью, в результате чего выделяется достаточно высокая энергия для деформирования изделия на большую глубину, чем это было достижимо ранее. Ударные иглы набора, которые индивидуально приводятся в движение от колеблющейся поверхности преобразователя, работающего на единственной заданной ультразвуковой частоте, соударяются с рабочей поверхностью, передавая ей кинетическую энергию, и отскакивают в апериодическом контролируемом режиме или случайным образом.New methods and systems of ultrasonic impact machine tools allow the processing of the correct shape, flat and irregularly shaped working surfaces of a metal product, due to the application of ultrasonic impact energy from needle-shaped impact elements having a high speed and small diameter to the treated surfaces. Due to this, critical working surface and adjacent subsurface areas of metal products, including propellers, are plastically deformed with the creation of specified surface textures and increased hardness and with associated subsurface structural transformations caused by surface impact. The ultrasonic transducer has a periodically oscillating surface of energy transfer to a set of small diameter impact needles that have free axial movement and collide with the machined surface at high speed, resulting in a sufficiently high energy being released to deform the product to a greater depth than was previously achieved. Impact needles of the set, which are individually driven from the oscillating surface of the transducer operating at a single given ultrasonic frequency, collide with the working surface, transmitting kinetic energy to it, and bounce in an aperiodic controlled mode or randomly.
Ударная мощность имеющих небольшой диаметр игл, которые движутся независимо от преобразователя возбуждения к изделию в режиме свободного осевого движения, позволяет получать очень высокие скорости и большую энергию от источника периодической ультразвуковой мощности. Это приводит к получению достаточной ударной мощности как для пластической поверхностной, так и субповерхностной структурной реконфигурации тяжелых металлических объектов на существенную глубину. По причине небольшой ударной области, короткого времени удара, циклического графика нагрузки и характеристик поглощения теплоты металлического изделия, изделие во время ультразвуковых ударов быстро нагревается и охлаждается в локализованной области в точке удара и проходит станочную обработку при температурах окружающей среды, причем изделие после станочной обработки остается при температуре окружающей среды.The impact power of small-diameter needles that move independently of the excitation transducer to the product in the free axial motion mode allows very high speeds and high energy to be obtained from a source of periodic ultrasonic power. This leads to sufficient shock power for both plastic surface and sub-surface structural reconfiguration of heavy metal objects to a significant depth. Due to the small impact region, short impact time, cyclic load curve and heat absorption characteristics of the metal product, the product quickly heats and cools during ultrasonic impacts in a localized area at the impact point and undergoes machining at ambient temperatures, and the product remains after machining at ambient temperature.
Сопряжение преобразователя с изделием осуществлено за счет работы наборов ударных игл, которые отскакивают от рабочей поверхности к поверхности возбуждения, совершающей периодические ультразвуковые колебания. Это позволяет получать широкополосную рабочую характеристику сопряжения, которая максимально повышает выходную рабочую мощность, передаваемую при помощи отдельных имеющих очень высокую скорость игл, мгновенно соударяющихся с поверхностью, от силового источника периодических ультразвуковых колебаний, в соответствии с выражением для кинетической энергии удара (W=mv2/2), используемым в настоящем изобретении. Таким образом, кинетическая энергия, полученная от свободно летящих с высокой скоростью ударных игл, которая является функцией v2, намного больше той, которая может быть получена за счет непосредственного удара рупора преобразователя в изделие в соответствии с упомянутым выше патентом США № 3274033.The transducer is coupled with the product due to the work of sets of impact needles, which bounce from the working surface to the excitation surface, which performs periodic ultrasonic vibrations. This allows you to get a broadband pairing performance that maximizes the output working power transmitted using separate needles with a very high speed, instantly colliding with the surface, from a power source of periodic ultrasonic vibrations, in accordance with the expression for the kinetic energy of impact (W = mv 2 / 2) used in the present invention. Thus, the kinetic energy obtained from free-flying high-speed impact needles, which is a function of v 2 , is much greater than that which can be obtained by directly impacting the horn of the transducer into the product in accordance with the aforementioned US Patent No. 3274033.
Многократное возрастание скорости колебаний ударных игл в момент удара вызвано нелинейной связью между скоростью колебаний и зазором между торцом иглы и ударной (возбуждающей) поверхностью головки преобразователя. В этом случае масса "m", которая определяет энергию удара при определенной скорости, прежде всего включает в себя массу преобразователя и массу иглы, приведенные к торцу иглы.A multiple increase in the speed of vibration of shock needles at the time of impact is caused by a nonlinear relationship between the speed of oscillations and the gap between the end of the needle and the shock (exciting) surface of the transducer head. In this case, the mass "m", which determines the impact energy at a certain speed, first of all includes the mass of the transducer and the mass of the needle, reduced to the end of the needle.
Более того, удар включает в себя ультразвуковые колебания ударной иглы в обрабатываемом поверхностном слое материала, вместе с ультразвуковыми колебаниями ударной поверхности головки преобразователя во время индивидуальных ультразвуковых ударов. Такие ультразвуковые колебания, в свою очередь, инициируют распространение в обрабатываемом материале мощных ультразвуковых волн, которые создают индивидуальные эффекты снижения сопротивления деформации и релаксации в обрабатываемом материале.Moreover, the impact includes ultrasonic vibrations of the impact needle in the processed surface layer of the material, together with ultrasonic vibrations of the impact surface of the transducer head during individual ultrasonic impacts. Such ultrasonic vibrations, in turn, initiate the propagation of powerful ultrasonic waves in the processed material, which create individual effects of reducing the deformation resistance and relaxation in the processed material.
Таким образом, глубина ультразвуковой ударной обработки в этом случае определяется энергией контролируемых ультразвуковых ударов, ультразвуковыми деформациями и ультразвуковыми волнами, которые инициируются в изделии во время взаимодействия ультразвукового преобразователя, ударной иглы и изделия.Thus, the depth of ultrasonic impact processing in this case is determined by the energy of the controlled ultrasonic impacts, ultrasonic deformations and ultrasonic waves, which are initiated in the product during the interaction of the ultrasonic transducer, impact needle and product.
Критическими для выдачи выходной мощности являются группы механически взаимосвязанных последовательных ступеней в рабочем блоке преобразователя, который имеет малые размеры для обеспечения портативности и возможности проведения ручных операций, так чтобы можно было работать в ограниченном пространстве, которые обеспечивают высокую эффективность передачи мощности от базового источника периодической ультразвуковой мощности. Группы механически взаимосвязанных ступеней преобразователя имеют соответствующие механические резонансы, гармонически связанные с первичной частотой ультразвуковых колебаний, так что намного более высокая гармоника этой первичной ультразвуковой частоты позволяет придавать очень высокую скорость свободно движущимся ударным иглам и дополнительно повышать добротность системы колебаний, что способствует повышению выходной мощности, получаемой от имеющегося генератора входной мощности. Кроме того, для эффективной передачи мощности от соответствующих рабочих ступеней преобразователя, обеспечиваются согласованные мгновенные сопротивления в рабочий момент мгновенного нагружения, когда совершающие свободное осевое движение ударные игольчатые элементы, приводимые в движение при помощи колеблющейся поверхности преобразователя, вибрирующей на первичной ультразвуковой частоте, апериодически соударяются с поверхностью изделия.Critical for the output power output are groups of mechanically interconnected successive stages in the working unit of the transducer, which is small in size to provide portability and the ability to carry out manual operations, so that it is possible to work in confined spaces, which provide high efficiency of power transmission from a basic source of periodic ultrasonic power . The groups of mechanically interconnected stages of the transducer have corresponding mechanical resonances harmonically associated with the primary frequency of ultrasonic vibrations, so that the much higher harmonic of this primary ultrasonic frequency allows you to give a very high speed to freely moving shock needles and to further increase the quality factor of the oscillation system, which helps to increase the output power, received from the available input power generator. In addition, to efficiently transfer power from the corresponding operating stages of the transducer, consistent instantaneous resistances are ensured at the instantaneous instant operating moment, when the impact needle elements, which make free axial motion and are driven by the vibrating transducer surface vibrating at the primary ultrasonic frequency, collide aperiodically with product surface.
Этот режим работы позволяет производить новую термическую обработку изделия, чтобы пластифицировать поверхностный и субповерхностный металл с повышением за счет ударной станочной обработки прочности рабочей поверхности изделия и ее эксплуатационных характеристик в присутствии рабочих сжимающих сил. Таким образом, термическая станочная обработка в пластическом состоянии, при сжатии ударными силами поверхностного слоя металла изделия (например, гребного винта), создает повышенное компрессионное рабочее усилие, способное компенсировать затраты на компрессионное взаимодействие с морской водой совершающих механическое движение поверхностей, например поверхностей лопасти гребного винта, что приводит к повышению эксплуатационной долговечности.This mode of operation allows a new heat treatment of the product to plasticize the surface and subsurface metal with an increase due to impact machining of the working surface strength of the product and its operational characteristics in the presence of compressive forces. Thus, thermal machining in the plastic state, when compressed by the impact forces of the surface layer of the metal of the product (for example, a propeller), creates an increased compression working force that can compensate for the costs of the compression interaction with sea water of mechanical surfaces, for example the surfaces of the propeller blades , which leads to increased operational durability.
Система сканирования с использованием механизма токарного станка, система сканирования поверхности или другая система, предназначена для осуществления систематического сканирования подвижной головки преобразователя в соответствии с заданной картиной (схемой) сканирования, в результате чего однородно и любым заданным образом распределяются индивидуальные удары от ударных элементов по выбранным поверхностным зонам изделия, которые могут иметь различные взаимосвязанные поверхностные конфигурации для индивидуальных изделий.A scanning system using a lathe mechanism, a surface scanning system, or another system is designed to systematically scan the movable head of the transducer in accordance with a predetermined scanning pattern (pattern), as a result of which individual impacts from impact elements are uniformly and in any given way distributed over selected surface product zones, which may have different interconnected surface configurations for individual products.
Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением предлагаются новые совершающие ультразвуковые колебания элементы и способы работы, а также новые виды ультразвуковой ударной станочной обработки, для станочной обработки взаимодействующих рабочих поверхностей различных металлических изделий, чтобы производить пластическую поверхностную и субповерхностную деформацию, приводящую к изменениям структуры и повышающую твердость материала и срок службы.Thus, in accordance with the present invention, new ultrasonic vibrating elements and methods of operation are provided, as well as new types of ultrasonic impact machining, for machining the interacting working surfaces of various metal products to produce plastic surface and subsurface deformation, resulting in structural changes and increasing hardness of material and service life.
Указанные ранее и другие характеристики и преимущества изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.The foregoing and other characteristics and advantages of the invention will be more apparent from the following detailed description, given by way of example, not of a limiting nature and given with reference to the accompanying drawings.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На приложенных чертежах аналогичные элементы имеют одинаковые позиционные обозначения, чтобы облегчить сравнение.In the accompanying drawings, like elements have the same reference numerals to facilitate comparison.
На фиг.1 показана блок-схема системы для ультразвуковой ударной станочной обработки поверхности в соответствии с настоящим изобретением.Figure 1 shows a block diagram of a system for ultrasonic impact machine tool surface treatment in accordance with the present invention.
На фиг.2 схематично показано, как возбуждаются сжимающие напряжения в рабочей поверхности и в расположенной непосредственно под ней субповерхностной области, в ответ на удар от набора ударных элементов.Figure 2 schematically shows how the compressive stresses are excited in the working surface and in the subsurface region immediately below it, in response to a shock from a set of shock elements.
На фиг.3 схематично показано возбуждение ультразвуковых ударов при помощи свободно летящего ударного элемента, который получает с одной стороны (асимметрично) ударную энергию возбуждения за счет упора (столкновения) в колеблющуюся головку ультразвукового преобразователя, в результате чего ударный элемент начинает двигаться с высокой скоростью как свободно движущийся объект и соударяется с рабочей поверхностью, проходящей ультразвуковую станочную обработку.Figure 3 schematically shows the excitation of ultrasonic shocks using a freely flying shock element, which receives on one side (asymmetrically) the shock energy of the excitation due to the stop (collision) in the oscillating head of the ultrasonic transducer, as a result of which the shock element begins to move at high speed as a freely moving object and collides with a work surface undergoing ultrasonic machining.
На фиг.4 схематично показана конструкция блока типичного магнитострикционного ультразвукового ударного преобразователя, который взаимодействует с внешней рабочей поверхностью металлического изделия.Figure 4 schematically shows the construction of a block of a typical magnetostrictive ultrasonic shock transducer, which interacts with the outer working surface of a metal product.
На фиг.5 схематично показано поперечное сечение многоступенчатого преобразователя, заканчивающегося набором ударных элементов, которые могут совершать свободное осевое движение с высокой скоростью, с ударом в поверхность изделия, в отчет на периодические удары граничной (возбуждающей) поверхности преобразователя.Figure 5 schematically shows the cross section of a multi-stage transducer, ending with a set of shock elements that can make free axial movement at high speed, with a blow to the surface of the product, in the report on periodic impacts of the boundary (exciting) surface of the transducer.
На фиг.6 схематично показано ударное взаимодействие свободно движущихся игольчатых ударных элементов типичного набора с периодически вибрирующей поверхностью возбуждения преобразователя, в результате чего они получают энергию колебаний для ее передачи при ударе в поверхность изделия в контролируемом и случайном апериодическом режиме работы.Figure 6 schematically shows the impact interaction of freely moving needle impact elements of a typical set with a periodically vibrating excitation surface of the transducer, as a result of which they receive vibrational energy for its transfer upon impact to the product surface in a controlled and random aperiodic mode of operation.
На фиг.7 схематично показано поперечное сечение поверхности изделия, сканируемого при помощи ударных игл и деформируемого при нахождении в пластическом состоянии при помощи ударных кончиков игл во время прямого контакта с головкой ультразвукового ударного преобразователя и после удара головки преобразователя в иглу в соответствии с настоящим изобретением, в процессе пластического деформирования и реструктурирования поверхности изделия.Fig. 7 schematically shows a cross-section of the surface of an article scanned by impact needles and deformable when in the plastic state by the impact tips of the needles during direct contact with the head of an ultrasonic impact transducer and after impacting the head of the transducer into a needle in accordance with the present invention, in the process of plastic deformation and restructuring of the surface of the product.
На фиг.8 схематично показан механизм сканирования для перемещения ультразвукового преобразователя и его набора ударных элементов поверх выбранной зоны изделия, так чтобы создавать однородную картину (ударов) на поверхности (термообработка изделия не показана).On Fig schematically shows a scanning mechanism for moving the ultrasonic transducer and its set of percussion elements over a selected area of the product, so as to create a uniform pattern (impacts) on the surface (heat treatment of the product is not shown).
На фиг.9А-9Е показан набор типичных изделий, имеющих рабочие поверхности с различными поверхностными конфигурациями для приложения сил сжатия к сопряженным поверхностям, которые требуют ультразвуковой ударной станочной обработки в соответствии с настоящим изобретением, для повышения допустимой рабочей нагрузки и исправления дефектов изготовления.On figa-9E shows a set of typical products having work surfaces with various surface configurations for applying compression forces to mating surfaces that require ultrasonic impact machining in accordance with the present invention, to increase the permissible work load and correct manufacturing defects.
На фиг.10 схематично показано сечение изделия лопасти гребного винта, проходящей ультразвуковую станочную обработку в соответствии с настоящим изобретением.Figure 10 schematically shows a section of a product of a propeller blade undergoing ultrasonic machining in accordance with the present invention.
На фиг.11 схематично показано сечение лопасти гребного винта, где можно видеть области, подверженные ультразвуковой ударной пластической деформации для исправления дефектов изготовления или эксплуатации, в соответствии с настоящим изобретением.11 schematically shows a cross section of the propeller blade, where you can see the area subject to ultrasonic plastic impact deformation to correct manufacturing or operating defects, in accordance with the present invention.
На фиг.12 схематично показана зависимость прочности материала тела изделия от рабочих температур.On Fig schematically shows the dependence of the strength of the material of the body of the product from operating temperatures.
На фиг.13 схематично показана типичная кривая зависимости напряжения от нагрузки для испытывающих напряжения металлических компонентов.13 schematically shows a typical stress versus load curve for stress-tested metal components.
На фиг.14 схематично показаны различные уровни деформации, вводимой в рабочую поверхность изделия за счет процесса ультразвуковой станочной обработки в соответствии с настоящим изобретением. Показаны две сопряженные поверхности рабочих тел, причем верхнее тело было обработано на определенную глубину при помощи ультразвуковых ударов и имеет зоны I, II и III (в соответствии с фиг.13), в то время как нижнее тело не было обработано.On Fig schematically shows the different levels of deformation introduced into the working surface of the product due to the process of ultrasonic machining in accordance with the present invention. Two mating surfaces of the working bodies are shown, the upper body being processed to a certain depth by means of ultrasonic shocks and has zones I, II and III (in accordance with FIG. 13), while the lower body was not processed.
На фиг.15 схематично показано воздействие элементов в виде ударных игл на рабочую поверхность изделия во время процесса станочной обработки в соответствии с настоящим изобретением.On Fig schematically shows the effect of elements in the form of impact needles on the working surface of the product during the machining process in accordance with the present invention.
На фиг.16 показан поток среды у (протекающей мимо) гладкой поверхности, такой как поверхность гребного винта.On Fig shows the flow of fluid from (flowing past) a smooth surface, such as the surface of the propeller.
На фиг.17 показан график зависимости скорости потока среды у гладкой поверхности от расстояния до поверхности.On Fig shows a graph of the dependence of the flow velocity of a medium on a smooth surface on the distance to the surface.
На фиг.18 показан график зависимости расстояния между локальными поверхностными вихревыми потоками у поверхности от скорости потока.On Fig shows a graph of the dependence of the distance between local surface vortex flows at the surface of the flow velocity.
На фиг.19 показан график зависимости интенсивности кавитационной эрозии от расстояния между локальными поверхностными вихревыми потоками у поверхности.On Fig shows a graph of the dependence of the intensity of cavitation erosion on the distance between the local surface vortex flows at the surface.
На фиг.20 показан график воздействия скорости потока у поверхности на интенсивность кавитационной эрозии.On Fig shows a graph of the effect of flow velocity near the surface on the intensity of cavitation erosion.
На фиг.21 показано воздействие изменения макрорельефа на форму течения относительно поверхности гребного винта после ультразвуковой ударной станочной обработки.On Fig shows the effect of changes in macrorelief on the shape of the current relative to the surface of the propeller after ultrasonic impact machining.
На фиг.22 показано воздействие изменения микрорельефа на форму течения относительно поверхности гребного винта после ультразвуковой ударной станочной обработки.On Fig shows the effect of changes in the microrelief on the shape of the current relative to the surface of the propeller after ultrasonic impact machining.
На фиг.23 показан вид сверху, где можно видеть протекание жидкости относительно поверхности после ее ультразвуковой ударной станочной обработки, с учетом воздействия измененного профиля поверхности и микро- и макрорельефа поверхности на форму течения.On Fig shows a top view where you can see the flow of fluid relative to the surface after its ultrasonic impact machining, taking into account the impact of the modified surface profile and the micro- and macrorelief of the surface on the flow shape.
Подробное описание предпочтительных вариантов изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показана блок-схема системы для ультразвуковой ударной станочной обработки поверхностей металлического изделия, показанных как рабочая поверхность 13, за счет использования набора перемещаемых ультразвуком ударных элементов 12, содержащего обычно три или четыре расположенных с промежутками друг от друга элемента, предназначенных для соударения с рабочей поверхностью 13 под управлением головки 11 ультразвукового преобразователя. Источник 10 периодической импульсной энергии, который обычно работает на ультразвуковых частотах до 100 кГц и возбуждает колебания в головке 11 преобразователя, преимущественно работает с использованием схемы управления 14 обратной связью по частоте и фазе, производящей обработку сигнала обратной связи от головки 11 преобразователя, для содействия согласованию резонансных характеристик головки при воздействии на рабочую поверхность 13, как это показано более конкретно в родственных заявках.We now turn to the consideration of figure 1, which shows a block diagram of a system for ultrasonic impact machining of surfaces of a metal product, shown as a working
На фиг.2 показан набор 12' ударных элементов, воздействующих на рабочую поверхность 13 и с проникновением в субповерхностную область 17 тела 15 металлического изделия, причем пластифицирование металла позволяет производить обработку поверхностной текстуры и удерживать (сохранять) субповерхностные структурные модификации в материале тела 15. Это воздействие схематично показано в субповерхностной области 17 как отдельные рабочие области для набора 12' из трех ударных элементов, деформирующих субповерхностный металл на глубину, которая определяется ударной мощностью индивидуальных ударных элементов в наборе 12'. Результирующая деформация, типично представляющая собой распределение сжимающих напряжений, распространяется по всей обрабатываемой поверхности изделия при помощи соответствующего сканирования преобразователя по выбранной поверхности изделия, за счет механизма сканирования, такого как механизма токарного станка или механизм сканирования описанного ниже типа, показанный на фиг.8.Figure 2 shows a set 12 'of impact elements acting on the working
Показанное на фиг.8 устройство 20 сканирования содержит механизм типа "универсальный шарнир" в качестве опоры преобразователя с набором ударных элементов 12, предназначенных для сильного контакта и регулярного сканирования зоны 21 обработки поверхности двух- или трехмерного изделия. Питающие головки ударных элементов 12 подают требующуюся ударную энергию от набора индивидуальных ударных элементов для приращений пластической деформации металлического изделия, которые объединяются в картину главным образом однородной ультразвуковой ударной станочной обработки по всей области сканирования и позволяют получить заданную комбинацию предусмотренных внутренних остаточных деформаций, типично представляющих собой сжатый субповерхностный металл, упрочняющих металл для осуществления его рабочей функции сопряжения у противостоящей рабочей поверхности и создания заданных характеристик отделки поверхностной текстуры. Специалисты могут автоматизировать процедуру сканирования и создавать избранные схемы сканирования в зависимости от конфигурации изделия или функциональной операции при сопряжении с соответствующей рабочей поверхностью или средой.The
Было показано, что на ультразвуковых частотах до 100 кГц, при сканировании набором 12 ударных элементов рабочей поверхности 13, при соответствующих скоростях сканирования, могут быть индуцированы главным образом однородно сжатые поверхностные структуры и текстуры по всей сканированной зоне 21 обработки (см. фиг.8), причем субповерхностный металл будет сжат на глубину, которая превосходит максимальный ожидаемый износ обрабатываемого изделия. В ходе этого процесса, ультразвуковые удары приводят к мгновенному возникновению высокой температуры, с эффектом быстрого нагревания и охлаждения в точке удара каждого из индивидуальных ударных элементов, что пластически деформирует поверхность и создает текстуру поверхности и субповерхностный слой сжатия, который однородно упрочняется на месте, по всей рабочей поверхности изделия, по мере продвижения сканирования, за счет чего происходит распределение ударной энергии по всей рабочей поверхности изделия и обработка изделия в его пластифицированном состоянии. Эта зона 21 ударной станочной обработки характеризуется остаточными сжимающими напряжениями у поверхности и в смежной субповерхностной области, которые легко можно контролировать для согласования с рабочими характеристиками различных изделий или областей изделия, за счет выбора энергии и частоты колебаний, характеристик ударного цикла, массы и скорости иглы, и т.п., за счет чего получают заданную поверхностную текстуру и субповерхностную деформацию, типично во время вторичной обработки литья и предварительно традиционно обработанных металлических изделий, на финальных стадиях изготовления и ремонта или технического обслуживания, проводимых во время рабочей жизни изделий.It was shown that at ultrasonic frequencies up to 100 kHz, when scanning with a set of 12 shock elements of the working
Для достижения главным образом большей передачи энергии от преобразователя 11 к рабочей поверхности 13 и для контроля или рандомизации времени ударов индивидуальных ударных элементов 12 в рабочую поверхность 13, в соответствии с настоящим изобретением используют режим свободного осевого движения со свободно движущимися по оси ударными элементами 12” в соответствии с фиг.3. В этом случае, свободно летящий ударный элемент 12”, за счет упора в ударную поверхность 18 головки 11 преобразователя, совершающую ультразвуковые колебания, получает удар и приобретает кинетическую энергию, за счет чего ударный элемент 12” начинает двигаться с высокой скоростью в направлении рабочей поверхности 13 как свободно летящий элемент, для преобразования его кинетической энергии на рабочей поверхности 13, в результате чего достаточно энергии выделяется на рабочей поверхности 13 для текстурирования и сжатия этой поверхности и смежных субповерхностных областей, в то время как металлическое изделие находится в своем пластическом состоянии. Ударный элемент, после передачи своей энергии рабочей поверхности 13 изделия, отскакивает от рабочей поверхности 13 для проведения следующего ударного цикла и получения энергия от ударной поверхности 18 головки преобразователя. Это приводит к контролируемым или случайным апериодическим ударам свободно летящего ударного элемента 12”, которые отвечают апериодически поверхностным характеристикам изделия, так как ударный элемент 12” отскакивает и контактирует с ударной поверхностью 18 головки преобразователя в различных фазах во время периодических колебаний преобразователя 11.In order to achieve mainly greater energy transfer from the
Как это обсуждается далее со ссылкой на фиг.6, преобразователь и его набор свободно движущихся по оси ударных игл, индивидуально приводимых в движение от возбуждающей поверхности периодически вибрирующего на ультразвуковой частоте преобразователя, создает большую кинетическую энергию иглы, чем известные ранее преобразователи, и передает мощность на независимый ударный элемент 12” случайным образом и апериодически от периодически вибрирующей на ультразвуковой частоте поверхности возбуждения изделия.As discussed below with reference to Fig.6, the transducer and its set of freely moving along the axis of the impact needles, individually driven from the exciting surface of the transducer periodically vibrating at the ultrasonic frequency, creates a greater kinetic energy of the needle than the previously known transducers, and transfers power to an
Многократное возрастание скорости колебания ударных игл в момент удара вызвано нелинейной зависимостью между скоростью колебания и зазором между торцом иглы 12 и головкой преобразователя 11. В данном случае масса "m", которая определяет ударную энергию при определенной скорости, включает в себя прежде всего массу преобразователя 11 и массу иглы 12, приведенную к торцу иглы.A multiple increase in the speed of oscillation of shock needles at the time of impact is caused by a nonlinear relationship between the speed of oscillation and the gap between the end of the
Более того, удар включает в себя ультразвуковые колебания ударной иглы 12 в поверхностном слое обрабатываемого материала 13, совместно с головкой 11 ультразвукового преобразователя, во время индивидуального ультразвукового удара. Такие ультразвуковые колебания, в свою очередь, инициируют в обработанном материале распространение мощных ультразвуковых волн, что создает индивидуальные эффекты снижения сопротивления деформации и релаксации в обрабатываемом материале.Moreover, the impact includes ultrasonic vibrations of the
Таким образом, глубина ультразвуковой ударной станочной обработки в этом случае определяется энергией управляемых ультразвуковых ударов, ультразвуковыми деформациями и ультразвуковыми волнами, которые возбуждаются в изделии во время периодически контролируемого или случайного контакта ультразвукового преобразователя 11, ударной иглы 12 и изделия 13.Thus, the depth of ultrasonic impact machining in this case is determined by the energy of controlled ultrasonic shocks, ultrasonic deformations and ultrasonic waves that are excited in the product during periodically controlled or accidental contact of the
Таким образом, этот способ обработки металлической рабочей поверхности 13 позволяет производить обработку рабочих поверхностей с различными конфигурациями, массами и характеристиками поверхности, с использованием головки 11 ультразвукового преобразователя, снабженной набором ультразвуковых ударных элементов 12”, которые соударяются с изделием в местоположениях на внешней поверхности, в результате чего эффективно производится ультразвуковая ударная станочная обработка поверхности за счет деформирования поверхности и смежной субповерхностной области, что позволяет получить заданные характеристики поверхности и субповерхностной области, в том числе уплотнение (сжатие) материала изделия для получения более высокой твердости и увеличения ожидаемого срока службы, чтобы придать рабочим поверхностям изделия поверхностное сопротивление, характеристики контакта со средой и характеристики износа, которые встречаются при работе в заданных рабочих условиях столкновения сопряженных поверхностей в сжатом состоянии.Thus, this method of processing a
На фиг.4 показан вид в плане конфигурации преобразователя, обращенного вниз к изделию 25 трехмерной конфигурации, которая имеет обычно шлифованную или станочно обработанную текстуру поверхности и удерживается в подходящем механическом держателе 26. Портативный и свободно движущийся по оси преобразователь 27 колеблется на заданной ультразвуковой частоте за счет удаленного источника энергии колебаний (источник 10 на фиг.1), при помощи магнитострикционного преобразователя 28 с обмоткой возбуждения 29, образующей первую последовательную рабочую ступень I. Промежуточная ступень II преимущественно представляет собой сменный волновод 30 для концентрации колебаний входящей ультразвуковой энергии заданной частоты, для соударения и приведения в движение инденторного (вдавливаемого) элемента (элементов) 31 третьей ступени III, который, в свою очередь, пластифицирует и сжимает ультразвуком металлическое изделие 25 (ступень IV). Предпочтительным инденторным элементом (элементами) является набор игл, работающий в режиме, показанном на фиг.3, который обеспечивает достаточно высокую скорость ударной энергии для управления структурой субповерхностной области изделия на достаточно больших глубинах, чтобы улучшить выходную прочность конкретных обрабатываемых изделий.Figure 4 shows a plan view of the configuration of the transducer, facing down to the
Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением предлагается многоступенчатая преобразовательная матрица, которая заканчивается головкой нанесения удара, приводимой в движение ступенью передачи мощности преобразователя, совершающей ультразвуковые колебания, при посредстве промежуточной волноводной ступени преобразования, в которую она упирается. Элементы ступени нанесения удара преимущественно представляют собой набор совершающих свободное осевое движение ударных элементов, которые индивидуально случайным образом и в управляемом апериодическом режиме производят преобразование мгновенной периодической энергии, полученной от системы возбуждения ультразвуковой энергии, в движение индивидуальных ударных элементов в наборе, которые при столкновении с поверхностью изделия предают ему свою энергию, полученную от силового источника колебаний преобразователя. Эти ударные элементы затем отскакивают и позволяют преобразователю выполнять следующий такт передачи энергии удара, за счет упора (элементов) в промежуточную возбуждающую поверхность преобразователя энергии, совершающую периодические колебания в случайной или контролируемой фазе ее цикла колебаний. Принимая во внимание различный ход перемещения совершающих свободное движение по оси ударных игольчатых элементов набора между промежуточной возбуждающей поверхностью преобразователя энергии и поверхностью изделия, в различных фазах колебаний, зависящий от топологии поверхности изделия, индивидуальные ударные иглы набора действуют независимо и не периодически одновременно (не в унисон) для передачи переносимой энергии от ударных элементов к поверхности изделия.Thus, in accordance with the present invention, there is provided a multi-stage transducer matrix, which ends with a striking head driven by a stage of transmitting power of a transducer performing ultrasonic vibrations by means of an intermediate waveguide conversion stage into which it abuts. The elements of the striking stage are mainly a set of impact elements performing free axial movement, which individually randomly and in a controlled aperiodic mode convert instantaneous periodic energy received from the ultrasonic energy excitation system into the movement of individual impact elements in the set, which, when they collide with the surface products betray him their energy received from the power source of oscillation of the transducer. These shock elements then bounce off and allow the transducer to perform the next beat of shock energy transfer due to the stop (s) in the intermediate exciting surface of the energy transducer that performs periodic oscillations in a random or controlled phase of its oscillation cycle. Taking into account the different course of movement of the percussion needle elements of the set making free movement along the axis between the intermediate exciting surface of the energy converter and the surface of the product, in different phases of oscillations, depending on the topology of the surface of the product, individual set of shock needles act independently and not periodically at the same time (not in unison ) to transfer the transferred energy from the shock elements to the surface of the product.
Коэффициент полезного действия преобразовательных устройств, показанных на фиг.4 и 5, и способы их использования для получения энергии, необходимой для того, чтобы пластифицировать и сжимать металлические изделия, зависят от эффективного и скоординированного согласования различных ступеней преобразователя, передающих ультразвуковые колебания от ультразвукового генератора энергии через концентратор энергии колебаний на ударные игольчатые элементы, для соударения (с металлическим изделием) и пластификации металлического изделия в рабочей зоне внешней поверхности. Таким образом, конфигурация преобразователя имеет критическое значение.The efficiency of the transducer devices shown in FIGS. 4 and 5, and the methods of their use to obtain the energy necessary to plasticize and compress metal products, depend on the effective and coordinated coordination of the various stages of the transducer transmitting ultrasonic vibrations from an ultrasonic energy generator through an energy concentrator of vibrations to percussion needle elements, for impact (with a metal product) and plasticization of a metal product in bore zone of the outer surface. Thus, the configuration of the converter is critical.
Например, структуры преобразователя с множеством ступеней I+II, III и IV в соответствии с фиг.4 и с эквивалентными ступенями 2, 4 и 1 в соответствии с фиг.5, все имеют характеристики чувствительности с собственным механическим резонансом. Поэтому, в соответствии с настоящим изобретением, различные ступени преобразователя специально конструируют таким образом, чтобы они имели резонансные частоты, связанные с основной ультразвуковой частотой колебаний, создаваемых магнитострикционным преобразователем 28. В этом отношении, собственные частоты ступеней II, III и IV блока преобразователя фиг.4 и соответствующих ступеней 2, 4 и 1 блока преобразователя фиг.5 индивидуально настраивают на собственную частоту резонанса, которая является кратной (является гармоникой. - Прим. переводчика) основной ультразвуковой частоте колебаний. Это позволяет концентрировать колебательную скорость в ударных элементах и производить их вибрацию с намного более высокой скоростью, таким образом, что передаваемая ударным иглам энергия колебания является максимальной. Следует иметь в виду, что когда результирующая рабочая частота ударных игл представляет собой частоту гармоники, которая намного выше, чем основная ультразвуковая частота генератора колебаний, то это придает более высокую скорость v ударной игле и позволяет v2 компоненту кинетической энергии ударного элемента создавать достаточно энергии для того, чтобы пластифицировать поверхность материала изделия на существенную рабочую глубину под поверхностью удара и сжимать тело изделия с приложением уровня энергии, который равен максимальный прочности материала или выше нее.For example, a transducer structure with a plurality of steps I + II, III and IV in accordance with FIG. 4 and with
Более того, ступени преобразователя конструируют с мгновенным действующим сопротивлением отдельной ступени в момент контактирования с инденторным элементом в силовом ударном цикле, которое связано как с мгновенными механическими напряжениями в различных ступенях (U), так и с мгновенными скоростями колебаний (V), приведенными к контактным точкам инденторных элементов, при помощи отношения U/V, которое одинаково для каждой ступени. Это обеспечивает эффективную передачу максимальной мощности энергии колебаний от одной ступени к другой ступени.Moreover, the steps of the transducer are designed with the instantaneous effective resistance of a separate stage at the moment of contact with the indenter element in the power shock cycle, which is associated with both instantaneous mechanical stresses in various stages (U) and instantaneous oscillation velocities (V) reduced to contact points of indenter elements using the U / V ratio, which is the same for each step. This ensures efficient transmission of maximum power of vibrational energy from one stage to another stage.
Для преобразователя, показанного на фиг.5, сопротивления различных ступеней скорректированы и могут быть выражены в следующем виде: R=U1/V1=U2/V2=U3/V3=U4/V4. Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением предусмотрено установление мгновенного активного сопротивления R, когда головка для передачи ударной энергии контактирует с инденторным элементом, которое главным образом равно мгновенному активному сопротивлению соответствующей индивидуальной ступени из множества ступеней.For the converter shown in FIG. 5, the resistances of the various stages are adjusted and can be expressed as follows: R = U1 / V1 = U2 / V2 = U3 / V3 = U4 / V4. Thus, in accordance with the present invention, it is provided that the instantaneous active resistance R is established when the shock energy transfer head is in contact with the indenter element, which is mainly equal to the instantaneous active resistance of the corresponding individual step from the plurality of steps.
На фиг.5 показана система возбуждения колебаний, которая включает в себя: устройство (кожух) 3 с (ультразвуковым) преобразователем и преобразователем (трансформатором) скорости колебаний 2, инденторные элементы 4 и изделие 1. Баланс энергии в такой системе определяется равенством кинетической энергии на выходе системы и потенциальной энергии, накопленной в изделии за счет пластической деформации ее обработанной поверхности, ультразвуковой деформации и релаксации материала изделия в ультразвуковой волне в соответствии с описанным выше. Обычно, с функциональной точки зрения, уравнение баланса энергии может быть записано следующим образом:Figure 5 shows the oscillation excitation system, which includes: a device (casing) 3 with an (ultrasonic) transducer and a transducer (transformer) of
М3(V3)2/2+М4 (V4)2/2+M1(V1)2/2=C1(X1)2/2,M3 (V3) 2/2 + M4 (V4) 2/2 + M1 (V1) 2/2 = C1 (X1) 2/2,
в котором М (1, 3 и 4) представляют собой соответствующие эквивалентные массы изделия, устройства 3 и инденторных элементов, приведенные к ударным точкам на поверхности изделия;in which M (1, 3 and 4) are the corresponding equivalent masses of the product, device 3 and indenter elements, reduced to shock points on the surface of the product;
V (1, 3 и 4) представляют собой соответствующие максимальные скорости колебаний изделия, устройства 3 и инденторных элементов, приведенные к ударным точкам на поверхности изделия;V (1, 3 and 4) represent the corresponding maximum vibrational velocities of the product, device 3 and indenter elements, reduced to shock points on the surface of the product;
C1 представляет собой эквивалентный коэффициент упругости изделия, приведенный к ударным точкам на поверхности изделия;C1 represents the equivalent coefficient of elasticity of the product, reduced to impact points on the surface of the product;
X1 представляет собой эквивалентную упругую деформацию изделия, вызванную эквивалентными пластическими деформациями изделия, ультразвуковыми деформациями и релаксациями материала изделия в ультразвуковой волне, возникающей в изделии за счет ультразвукового удара.X1 represents the equivalent elastic deformation of the product caused by equivalent plastic deformations of the product, ultrasonic deformations and relaxation of the material of the product in an ultrasonic wave arising in the product due to ultrasonic impact.
Следует иметь в виду, что каждый инденторный элемент фиг.5 возбуждает колебания новой "добавленной" массы в изделии, в результате чего увеличивается эквивалентная масса M1 и, следовательно, уменьшается кинетическая энергия в точке (точках) удара (ударов). В соответствии с уравнением баланса энергии, возрастание кинетической энергии удара (ударов) приводит к росту энергии, индуцированной в поверхности и материале изделия, которая, в свою очередь, эквивалентна потенциальной энергии, накопленной в изделии во время ультразвукового соударения. Результаты, полученные за счет данного процесса, включают в себя: рост глубины обработки, рост индуцированных сжимающих напряжений и их уровня в области максимальной прочности материала, оптимизацию фазовой и кристаллической структуры материала изделия и пространственного компонента регулярного макро- и микрорельефа обработанной поверхности.It should be borne in mind that each indentor element of FIG. 5 excites oscillations of the new “added” mass in the product, as a result of which the equivalent mass M1 increases and, therefore, the kinetic energy at the point (s) of impact (impacts) decreases. According to the energy balance equation, an increase in the kinetic energy of impact (impacts) leads to an increase in the energy induced in the surface and material of the product, which, in turn, is equivalent to the potential energy accumulated in the product during ultrasonic collision. The results obtained by this process include: an increase in the depth of processing, an increase in the induced compressive stresses and their level in the region of maximum strength of the material, optimization of the phase and crystal structure of the material of the product and the spatial component of the regular macro- and microrelief of the treated surface.
Далее со ссылкой на фиг.5, где показан кожух 3 совершающего колебания преобразователя, который под действием пружины прижимается к рабочей поверхности, а также показан блок преобразователя 2, инденторные элементы 4 и изделие 1, будут описаны различные согласованные системы колебаний, которые используют для приложения соответствующим образом рассчитанных ультразвуковых ударов к поверхности изделия 1, равномерно по всей картине сканирования, за счет чего достигают, контролируемым образом, повышения чистоты поверхности, твердости, сжимающих напряжений и придания формы поверхности, а также соответствующего субповерхностного удаления дефектов, в том числе замены остаточных растягивающих напряжений сжимающими напряжениями, и корректирующий станочной обработки, и т.п., что достигается за счет процедуры пластификации, возбуждаемой за счет ударной станочной обработки.Next, with reference to figure 5, which shows the casing 3 of the oscillating transducer, which is pressed by the spring against the working surface, and also shows the
Таким образом, за счет создания в матрице многоступенчатого преобразователя набора сопряженных ступеней, имеющих соответствующие собственные резонансные характеристики, гармонически связанные с ультразвуковой частотой энергии возбуждения от указанной системы возбуждения энергии, можно пластифицировать массивные металлические изделия в глубину от поверхности, чтобы обеспечить заданные технические характеристики, в частности, возможность исправления следов обработки инструментом при изготовлении и исправления других остаточных дефектов. В соответствии с настоящим изобретением предлагаются усовершенствованные способы ультразвукового ударного воздействия для пластического деформирования субповерхностного металла и для подготовки текстуры поверхностной зоны изделия для таких задач, как нанесение защитного покрытия или для создания специфических картин текстуры поверхностного и субповерхностного макрорельефа и микрорельефа, причем пластическое деформирование субповерхностного металла позволяет устранять интергранулярные неупорядоченности, при этом пластическое деформирование и сжатие субповерхностного металла проводят в соответствии с поверхностной конфигурацией изделия для обеспечения выбранных характеристик, причем пластическое деформирование субповерхностного металла производят таким образом, чтобы сжимать поверхностный слой изделия на существенную глубину и сохранять остаточные сжимающие силы, введенные за счет обработки, чтобы повысить стабильность размеров, усталостную прочность, динамический и термодинамический срок службы и другие введенные модификации массивных металлических изделий указанной далее природы, приведенных в специфических примерах.Thus, by creating in the matrix of a multi-stage transducer a set of conjugate steps having corresponding intrinsic resonance characteristics harmonically associated with the ultrasonic frequency of the excitation energy from the specified energy excitation system, massive metal products can be plasticized in depth from the surface to provide specified technical characteristics, in in particular, the ability to correct traces of tool processing in the manufacture and correct other residual Efekt. The present invention provides improved methods of ultrasonic impact for plastic deformation of a subsurface metal and for preparing the texture of the surface zone of a product for tasks such as applying a protective coating or for creating specific patterns of texture of a surface and subsurface macrorelief and microrelief, and plastic deformation of the subsurface metal allows eliminate intergranular disorder, while plastic e deformation and compression of the subsurface metal is carried out in accordance with the surface configuration of the product to provide the selected characteristics, and plastic deformation of the subsurface metal is performed in such a way as to compress the surface layer of the product to a significant depth and maintain the residual compressive forces introduced due to processing in order to increase dimensional stability , fatigue strength, dynamic and thermodynamic service life and other introduced modifications of massive metals products of the following nature, given in specific examples.
На фиг.6 схематично показаны инденторные элементы 4, показанные на фиг.5, которые являются частью совершающих свободное осевое движение ударных элементов 12”, обсуждение которых было проведено со ссылкой на фиг 3. Следует иметь в виду, что наборы этих инденторных элементов, которые совершают случайные или контролируемые апериодические удары с передачей энергии на поверхность изделия 1, когда инденторные элементы приводятся в движение при помощи ударной поверхности 36 преобразователя, могут колебаться между ударной поверхностью 36 и поверхностью изделия 1 на периодической ультразвуковой частоте, которая намного выше основной ультразвуковой частоты колебаний. Так, например, выбранный индивидуальный инденторный элемент 35, который работает в режиме свободного осевого движения и принимает кинетическую энергию во время операции удара за счет упора в колеблющуюся поверхность 36 преобразователя, вибрирует между двумя горизонтальными линиями, когда изделие сканируют при помощи головки преобразователя в направлении обработки 37. Инденторный элемент 35 показан в различных положениях по фазе относительно источника периодического возбуждения, по мере того, как преобразователь движется направо в направлении обработки 37 вдоль поверхности 1 изделия, в зависимости от различных положений поверхности 36 преобразователя и топографии поверхности 1 изделия. В точке 38 инденторный элемент показан в свободном полете после контакта с поверхностью 1 изделия для передачи ему своей кинетической энергии, после его перемещения, вызванного контактом с поверхностью 36 преобразователя, в фазе между пределами вибрации 39 и 40 для различных положений или фаз вибрации упорной поверхности 36 преобразователя. За счет упора в колеблющийся преобразователь, инденторный элемент 35 у предела вибрации 39 получает передачу энергии от источника ультразвуковой энергии, возбуждающего преобразователь. Следовательно, инденторный элемент 35, в зависимости от граничных условий на поверхности 36, может вибрировать как контролируемым, так и случайным образом, но апериодически, несмотря на то, что выходная (упорная) поверхность преобразователя вибрирует только периодически. За счет этого, инденторный элемент 35 соударяется с поверхностью изделия 1 случайным образом или контролируемым образом и передает ему свою энергию, после чего он отскакивает от поверхности изделия 1, в моменты, которые определяются относительными положениями соответственно колеблющейся поверхности 36 преобразователя и картины макро- или микрорельефа на поверхности 1 изделия. Эта характеристика позволяет предложить новый режим ультразвуковой ударной станочной обработки тяжелых металлических изделий, который является управляемым по своей природе и поэтому применим для различных поверхностей изделий и изделий с различными массами, характеристиками поверхности и конфигурациями изделий, причем ультразвуковая ударная энергия подается при помощи индивидуальных инденторных элементов 35, которые находятся в наборе матрицы 4 инденторных элементов.Fig. 6 schematically shows the
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.7, на которой схематично показана поверхность 1 изделия при обработке по способу в соответствии с настоящим изобретением, причем неровности 45 отображают начальное состояние поверхности со следами обработки инструментом на поверхности за счет предшествующей обработки, при этом ультразвуковая ударная станочная обработка позволяет пластифицировать и сглаживать поверхность 1 изделия, которая имеет остаточные следы обработки инструментом, возникающие, например, за счет обработки режущим инструментом или за счет шлифования. Результирующая пластифицированная поверхность 1 в процессе ультразвуковой ударной станочной обработки в соответствии с настоящим изобретением получает картину микрорельефа или макрорельефа за счет пластификации металла изделия на поверхности в избранной контактной зоне и в прилегающей субповерхностной области, что приводит к получению пластически сглаженных поверхностей изделия и к сжатию субповерхностного слоя изделия на глубину, превышающую заданную глубину износа поверхности обрабатываемого изделия.We now turn to the consideration of Fig. 7, which schematically shows the surface 1 of the product when machining by the method in accordance with the present invention, wherein the
Важным является то, что изделие после обработки в соответствии с настоящим изобретением будет иметь твердость выше ее предела текучести и главным образом у ее предела прочности, на всей обработанной субповерхностной глубине, что более конкретно показано в родственной заявке на патент США № 09/653987, в которой описан специфический вариант системы колодочных тормозов. Важным также является и то, что обработку изделия проводят при температурах окружающей среды, что стало возможным за счет мгновенной природы удара при помощи ударных игл в небольшую область поверхности тела изделия, при таком циклическом графике нагрузки, в котором термическая энергия быстро поглощается в теле изделия, действующем как теплоотвод, что и позволило производить ультразвуковую обработку изделия главным образом при температурах окружающей среды.It is important that the product after processing in accordance with the present invention will have a hardness higher than its yield strength and mainly at its tensile strength, over the entire processed subsurface depth, which is more specifically shown in the related patent application US No. 09/653987, which describes a specific version of the brake pad system. It is also important that the product is processed at ambient temperatures, which became possible due to the instantaneous nature of the impact with the help of shock needles into a small area of the body surface of the product, with such a cyclic load schedule in which thermal energy is quickly absorbed in the product’s body, acting as a heat sink, which made it possible to produce ultrasonic treatment of the product mainly at ambient temperatures.
Как это показано на фиг.9А-9Е, могут быть использованы различные типичные конфигурации поверхностей металлических изделий, которые в процессе работы механически взаимодействуют при выполнении заданной рабочей функции с другими поверхностями и средами. Эти рабочие поверхности изделий типично испытывают поверхностное сопротивление; контакт со средой; усталость и износ, когда они подвержены воздействию условий заданных рабочих внешних условий, при работе в качестве элементов оборудования, конструктивных элементов и т.п.; а также испытывают воздействие сжимающих сил, когда они взаимодействуют с сопряженной поверхностью. Способ обработки с созданием, ультразвуковой ударной деформации в соответствии с настоящим изобретением, позволяет получить требуемый уровень местного термомеханического воздействия на структуру материала, необходимый для установления специфических уровней сопротивления износу при трении, сопротивления контактному разрушению, циклическому разрушению, термоциклической усталости, коррозионной усталости, намагничиванию и нежелательной деформации формы. Это достигается за счет достижения заданной и улучшенной твердости, снижения шероховатости поверхности, снижения остаточных механических напряжений, повышения контактной прочности, пределов усталости, снижения коэффициентов трения, повышения отражательной способности и коррозионного сопротивления. Используемые технические операции в соответствии с настоящим изобретением включают в себя термическую обработку, пластификацию и сжатие внешнего слоя металла изделия, при помощи процедур ударной ультразвуковой обработки, позволяющих производить термообработку, поверхностное легирование или другие изменения текстуры и характеристик поверхности материалов, например, нанесение защитных покрытий с заданной текстурой поверхности, а также полирование, отделочное накатывание и удаление остаточных дефектов. Было обнаружено, что способы ультразвуковой ударной станочной обработки в соответствии с настоящим изобретением позволяют получать, за счет пластификации металла изделия в ответ на ультразвуковую ударную обработку поверхности и сжатие (металла изделия), новый поверхностный слой и смежную субповерхностную область, идущую на значительную глубину, что позволяет максимально повысить прочность тела изделия и за счет этого существенно повысить срок службы по сравнению с известными ранее способами, такими как нагартовка шариками, которые не позволяют повысить прочность тела изделия выше предела текучести, при котором металл пластифицирован.As shown in figa-9E, can be used various typical surface configurations of metal products, which in the process mechanically interact when performing a given working function with other surfaces and environments. These product surfaces typically experience surface resistance; contact with the environment; fatigue and wear when they are exposed to the conditions of specified working external conditions when working as equipment items, structural elements, etc .; and also experience compressive forces when they interact with the mating surface. The processing method with the creation of ultrasonic impact deformation in accordance with the present invention allows to obtain the required level of local thermomechanical influence on the structure of the material necessary to establish specific levels of wear resistance during friction, resistance to contact fracture, cyclic fracture, thermocyclic fatigue, corrosion fatigue, magnetization and unwanted deformation of the form. This is achieved by achieving a predetermined and improved hardness, reducing surface roughness, reducing residual mechanical stresses, increasing contact strength, fatigue limits, reducing friction coefficients, increasing reflectivity and corrosion resistance. Used technical operations in accordance with the present invention include heat treatment, plasticization and compression of the outer layer of the metal of the product using shock ultrasonic processing procedures that allow heat treatment, surface alloying or other changes in the texture and surface characteristics of materials, for example, the application of protective coatings with specified surface texture, as well as polishing, finishing rolling and removal of residual defects. It was found that the methods of ultrasonic impact machining in accordance with the present invention allow to obtain, by plasticizing the metal of the product in response to ultrasonic impact surface treatment and compression (metal of the product), a new surface layer and an adjacent subsurface region going to a considerable depth, which allows you to maximize the strength of the body of the product and due to this significantly increase the service life in comparison with previously known methods, such as hardening balls, which can improve the body strength of the product above the yield stress, wherein the plasticized metal.
Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением предлагаются усовершенствованные способы обработки рабочих поверхностей металлических изделий с различными конфигурациями и массами, таких как показанные на фиг.10 и 11, при помощи набора ультразвуковых ударных элементов, производящих обработку внешних поверхностных зон изделия для проведения поверхностных и субповерхностных модификаций, за счет чего удаляются структурные дефекты и достигаются заданные характеристики поверхностной зоны, повышается твердость рабочей поверхности раздела и ожидаемый срок службы изделия в рабочих условиях воздействия на поверхность сжимающих сил от среды или сопрягаемой детали, в условиях статического или скользящего контакта и взаимодействия с другими внешними разрушающими силами, в том числе, например, при воздействии коррозионной усталости и термомеханической усталости.Thus, in accordance with the present invention, improved methods for treating the working surfaces of metal products with various configurations and weights, such as those shown in FIGS. 10 and 11, using a set of ultrasonic shock elements processing the external surface areas of the product to conduct surface and subsurface are proposed. modifications, due to which structural defects are removed and the specified characteristics of the surface zone are achieved, the hardness of the working surface is increased section and the expected life of the product in the operating conditions influence the surface compressive forces from the environment or the mating piece, under static or sliding contact and interaction with other external destructive forces, including, for example, when exposed to corrosion fatigue and thermomechanical fatigue.
На фиг.9А-9Е показаны несколько примеров представительных рабочих поверхностей соударения с сопряженными поверхностями в режиме сжатия и скольжения в соответствии с настоящим изобретением, в том числе цилиндрические поверхности, такие как поверхности 50 кольцевых подшипников, галтели 51 и лыски 52 для поверхностей муфт, которые могут быть наложены в непосредственной близости от конфигураций цилиндрических поверхностей или непосредственно на них. Плоские поверхности 53 с коническими фасками, которые могут быть использованы в клиньях, нагелях и прижимных планках, и плоские поверхности 54, представляют собой другие типы поверхностных структур, которые используют, например, в качестве структурных ригелей, воспринимающих статические сжимающие силы, такие как вибрация, приложение нагрузки и коррозия. Рабочие поверхности подвергают местной термомеханической пластификации, чтобы модифицировать поверхностную текстуру и создать слои сжатия для повышения прочности поверхности за счет способов ультразвуковой ударной станочной обработки в соответствии с настоящим изобретением. Кроме того, изделия сложной конфигурации, такие как детали машин, направляющие 55 и гребные винты, показанные на фиг.10 и 11, которые имеют различную кривизну, массу и угловые выступы у сопряженных рабочих поверхностей, могут быть подвергнуты термической пластификации и ультразвуковой обработке при помощи усовершенствованного ультразвукового преобразователя и способов ударного воздействия в соответствии с настоящим изобретением.On figa-9E shows several examples of representative working surfaces of the collision with the mating surfaces in the compression and sliding mode in accordance with the present invention, including cylindrical surfaces such as
Показанная на фиг.10 и 11 заготовка гребного винта представляет собой вариант изделия в соответствии с настоящим изобретением, имеющее различные конфигурации поверхности, которые показаны для того, чтобы проиллюстрировать различные начальные обычные операции обработки, проводимые на начальных стадиях изготовления, причем на конечных стадиях изготовления обработку указанных поверхностей производят при помощи ультразвуковых ударных способов в соответствии с настоящим изобретением. Этот тип металлического изделия обрабатывают при помощи ультразвуковой ударной станочной обработки поверхности, которая вызывает поверхностную и субповерхностную пластификацию, создает сжимающие силы для управления поверхностной и субповерхностной текстурой, а также придает прочность изделию у поверхности раздела, которая выше предела текучести тела металлического изделия и приближается к пределу прочности металла. Обработанные поверхности изделия характеризуются распределенной картиной вмятин сжатия в областях контакта с ударным элементом.The propeller preform shown in FIGS. 10 and 11 is an embodiment of the product of the present invention having various surface configurations that are shown to illustrate various initial conventional processing operations carried out in the initial stages of manufacturing, and in the final stages of manufacturing, processing these surfaces are produced using ultrasonic shock methods in accordance with the present invention. This type of metal product is machined using ultrasonic impact machining of the surface, which causes surface and subsurface plasticization, creates compressive forces to control the surface and subsurface texture, and also gives strength to the product at the interface, which is higher than the yield strength of the body of the metal product and approaches the limit metal strength. The treated surfaces of the product are characterized by a distributed pattern of compression dents in the areas of contact with the impact element.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.10, на которой схематично показано поперечное сечение гребного винта 60, который представляет собой металлическую отливку с лопастями 61, идущими от ступицы 62. Галтели 63, 64, которые имеются на тыльной поверхности, показаны соответствующими парами пунктирных линий. Основной участок лопасти показан на фиг.11. Заштрихованная область 66 представляет собой область, которую подвергают повторной обработке в процессе изготовления, в которой дефектные участки удаляют при помощи шлифования перед проведением термообработки, заварки 71 и нанесения поверхностных покрытий 69, например, на предшествующих стадиях изготовления. Участки с дефектами и слабые участки подвергают в соответствии с настоящим изобретением ультразвуковой местной термомеханической поверхностной ударной обработке с повышенной амплитудой, которая пластифицирует и сжимает внешний слой металла на поверхности изделия, в том числе и смежные субповерхностные области.Turning now to FIG. 10, a schematic cross-sectional view of a
Таким образом, усовершенствованную методологию в соответствии с настоящим изобретением используют, например, для исправления дефектов, вызванных сваркой при проведении ремонта, внутренними пустотами и трещинами, градиентами термической и коррозионной деформации базовых металлов и лопасти гребного винта за счет обработки конфигураций галтели и ступицы, а также обработки поверхностных конфигураций, чтобы заменить обычные операции изготовления и операции термообработки. Ультразвуковую ударную термическую обработку в соответствии с настоящим изобретением проводят при температурах изделия, соответствующих температурам окружающей среды для того, чтобы перераспределять напряжения сжатия и устранять растягивающие напряжения, возникающие при исправлении указанных выше дефектов при помощи сварки, шлифования и фасонирования поверхностей гребного винта, при этом производят переформование поверхностной текстуры и сжатие металла в наружном слое на существенную глубину, чтобы получить большую прочность и повысить срок службы. Градиенты напряжений у сварных соединений и границ между имеющими различные конфигурации структурными компонентами гребного винта, возникающие за счет операций изготовления, подвергают операциям локализованной термомеханической ударной станочной обработки, чтобы исправить дефекты гребного винта и повысить операционную прочность. Надежность гребного винта повышается в результате применения методологии настоящего изобретения за счет снижения сопротивления движению в воде, снижения дефектов кавитации и повышения сопротивления усталости, максимального повышения коррозионного предела усталости и выравнивания (распределения) прочности между компонентами гребного винта, такими как лопасти и ступица. Кроме того, поверхностные обработки, которые могут быть проведены в соответствии с настоящим изобретением, улучшают коррозионное сопротивление в присутствии морской воды и снижают паразитные колебания лопасти в условиях гидродинамического нагружения с переменной амплитудой. Прочность металла рабочей поверхности раздела существенно повышается, что позволяет выдерживать сжимающие силы до предела прочности тела металлического изделия. Более того, эта методология, если ее вводить на финальной стадии изготовления, снижает сложность изготовления и стоимость технологической оснастки, что приводит к существенному снижению стоимости изготовления и ремонта гребного винта по сравнению с обычными известными способами обработки.Thus, the improved methodology in accordance with the present invention is used, for example, to correct defects caused by welding during repair, internal voids and cracks, thermal and corrosion deformation gradients of base metals and propeller blades due to processing configurations of the fillet and hub, as well as processing surface configurations to replace conventional manufacturing and heat treatment operations. Ultrasonic shock heat treatment in accordance with the present invention is carried out at product temperatures corresponding to ambient temperatures in order to redistribute the compressive stresses and eliminate tensile stresses arising from the correction of the above defects by welding, grinding and shaping the surfaces of the propeller, reshaping the surface texture and compressing the metal in the outer layer to a significant depth to obtain greater strength and increase service life. The stress gradients of the welded joints and the boundaries between the propeller structural components having different configurations arising from the manufacturing operations are subjected to localized thermomechanical impact machining operations to correct the propeller defects and increase the operational strength. The reliability of the propeller is improved as a result of applying the methodology of the present invention by reducing the resistance to movement in water, reducing cavitation defects and increasing fatigue resistance, maximizing the corrosion fatigue limit and leveling (distribution) of strength between the components of the propeller, such as blades and hub. In addition, surface treatments that can be carried out in accordance with the present invention improve corrosion resistance in the presence of sea water and reduce stray vibrations of the blade under conditions of hydrodynamic loading with variable amplitude. The strength of the metal of the working interface is significantly increased, which allows to withstand compressive forces to the ultimate strength of the body of the metal product. Moreover, this methodology, if introduced at the final stage of manufacturing, reduces the complexity of manufacturing and the cost of technological equipment, which leads to a significant reduction in the cost of manufacturing and repair of the propeller compared to conventional known processing methods.
Известные технические решения, направленные на решение проблем повышения долговечности гребного винта, в том числе и процессы термообработки, описаны, например, в следующих публикациях: N.N.Sokolov et al. Stainless Steel Propellers, Sudpromgiz, Leningrad 1960; Sokolov et al., Propellers in Aluminum Bronze, Sudostroenie, Leningrad, 1971; and I.I.Bogoraz et al. Propeller Manufacture Reference Book. Sudostroenie, Leningrad, 1978. Способы деформационного упрочнения, такие как нагартовка молотом и дробеструйное упрочнение, применимые к поверхности лопаток, галтелей и ступицы, описаны в следующих публикациях: I.I.Bogoraz et al. Propeller Manufacture Reference Book, Sudostroenie, Leningrad, 1978; и Е.V.Zvyagintsev et al. Controllable Pitch Marine Propellers, Sudostroenie, Leningrad, 1966. Эти способы создают сжимающие напряжения на поверхности гребного винта. Однако, по своей физической природе, они лишены возможности контроля параметров обработки, который позволяет достичь заданной чистоты поверхности, так важной для поверхности приведения в движение (для гребной поверхности) гребного винта.Known technical solutions aimed at solving the problems of increasing the durability of the propeller, including heat treatment processes, are described, for example, in the following publications: N.N.Sokolov et al. Stainless Steel Propellers, Sudpromgiz, Leningrad 1960; Sokolov et al., Propellers in Aluminum Bronze, Sudostroenie, Leningrad, 1971; and I.I. Bogoraz et al. Propeller Manufacture Reference Book. Sudostroenie, Leningrad, 1978. Methods of strain hardening, such as hammer hardening and shot peening, applicable to the surface of blades, fillets and hubs, are described in the following publications: I.I. Bogoraz et al. Propeller Manufacture Reference Book, Sudostroenie, Leningrad, 1978; and E. V. Zvyagintsev et al. Controllable Pitch Marine Propellers, Sudostroenie, Leningrad, 1966. These methods create compressive stresses on the surface of the propeller. However, by their physical nature, they are deprived of the ability to control the processing parameters, which allows to achieve a given surface cleanliness, which is so important for the propelling surface (for the propeller surface).
В соответствии с настоящим изобретением используют ультразвуковую ударную технологию в соответствии с документом IIW Doc. XIII-1857-99, Lisbon, 1999, основанную на улучшении преобразования (трансформации) гармонических колебаний ультразвукового преобразователя в управляемые апериодические импульсы силы на обрабатываемой поверхности. Это может быть обеспечено за счет использования низкого уровня энергии, не превышающего 2000 Вт, и высокой удельной мощности, не менее 300 Вт/см2, с использованием мобильного оборудования, с весом инструмента, составляющим, в зависимости от частоты и мощности преобразователя, от 200 г до 2.5 кг, в диапазоне частот от 44 до 27 кГц. Усовершенствования в соответствии с настоящим изобретением также позволяют производить прецизионные настройки и автоматический контроль параметров обработки, силы удара и качества обработанной поверхности.In accordance with the present invention using ultrasonic shock technology in accordance with the document IIW Doc. XIII-1857-99, Lisbon, 1999, based on the improvement of the conversion (transformation) of harmonic oscillations of an ultrasonic transducer into controlled aperiodic force pulses on the treated surface. This can be achieved through the use of a low energy level not exceeding 2000 W and a high specific power of at least 300 W / cm 2 , using mobile equipment, with a tool weight of 200, depending on the frequency and power of the converter, g to 2.5 kg, in the frequency range from 44 to 27 kHz. Improvements in accordance with the present invention also allow for precise settings and automatic control of processing parameters, impact force and surface quality.
Некоторые из основных характеристик гребных винтов, которые в первую очередь определяются состоянием и свойствами поверхностей лопастей, ступицы и галтелей, при работе в агрессивной и жесткой морской воде, включают в себя: сопротивление движению в воде, кавитационную прочность, усталостное сопротивление, управление коррозией, распределенную прочность лопастей и ступицы, приемлемую стоимость изготовления и ремонта и т.п. Диапазон обрабатываемых и исправляемых дефектов включает в себя: субповерхностные поры, усадку и газовые раковины, интергранулярные трещины и волосные трещины, геометрические отклонения от проектных конфигураций и размера галтелей лопастей, ступиц и т.п. Хорошо известные обычные технологии позволяют удалять указанные дефекты за счет станочной обработки, дуговой сварки, станочной обработки с последующей термообработкой в печи при температуре термического отпуска, составляющей не менее 600°С, в течение времени не менее 6 часов. Настоящее изобретение позволяет исправлять эти дефекты, образованные за счет станочной обработки с последующей сваркой, за счет использования ультразвуковой ударной станочной обработки. В этом случае, операция термообработки в печи исключается и достигается экономия энергия, составляющая не менее 10000 кВт на каждый гребной винт с диаметром более 3 м. Обычно необходимо производить обработку гребных винтов с размахом от 300 мм до 12000 мм или больше. Дефекты в непосредственной близости от галтелей и резких изменений направления могут быть идеально обработаны с использованием легких подвижных блоков ударных преобразователей, таких как показанный на фиг.5 комплект. Средство механизированного сканирования, такое как показанное на фиг.8, обеспечивает однородную ультразвуковую ударную обработку в выбранных зонах обработки, причем это средство может быть адаптировано специалистами для применения объединенных с ним систем автоматической выдержки времени и контроля энергии в зависимости от природы изделия, конфигурации и целей термической обработки, которую с успехом можно заменить ультразвуковой ударной обработкой.Some of the main characteristics of the propellers, which are primarily determined by the state and properties of the surfaces of the blades, the hub and fillets, when working in aggressive and hard sea water, include: resistance to movement in water, cavitation strength, fatigue resistance, corrosion control, distributed the strength of the blades and the hub, the acceptable cost of manufacturing and repair, etc. The range of processed and corrected defects includes: subsurface pores, shrinkage and gas shells, intergranular cracks and hair cracks, geometric deviations from design configurations and the size of the fillets of blades, hubs, etc. Well-known conventional technologies make it possible to remove these defects by machining, arc welding, machining followed by heat treatment in a furnace at a temperature of thermal tempering of at least 600 ° C for a period of at least 6 hours. The present invention allows to correct these defects formed due to machining with subsequent welding, through the use of ultrasonic impact machining. In this case, the heat treatment operation in the furnace is excluded and energy savings of at least 10,000 kW for each propeller with a diameter of more than 3 m are achieved. Usually it is necessary to process the propellers with a span of 300 mm to 12,000 mm or more. Defects in the immediate vicinity of the fillets and sudden changes in direction can be ideally processed using lightweight movable shock transducer blocks, such as the kit shown in FIG. A mechanized scanning tool, such as that shown in Fig. 8, provides uniform ultrasonic impact processing in selected treatment zones, and this tool can be adapted by specialists for the use of automatic time-keeping and energy control systems combined with it, depending on the nature of the product, configuration and goals heat treatment, which can be successfully replaced by ultrasonic impact treatment.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.11, на которой показан гребной винт, в котором были обнаружены дефекты при помощи ультразвуковых, рентгеновских, флуоресцентных и/или других средств неразрушающего контроля и интроскопии, оставшиеся после обычных операций изготовления, таких как нанесение покрытия, нагревание, шлифование, обработка на станке, сварка и удаление или осаждение металла на тело гребного винта. В этом случае обычно применяют портативные ультразвуковые ударные преобразователи для ультразвуковой местной ударной термомеханической пластификации поверхности и субповерхностной области в зоне обработки для того, чтобы удалять дефекты, создавать заданную поверхностную текстуру, повышать прочность и улучшать функционирование, а также повышать срок службы при эксплуатации гребного винта.We now turn to the consideration of Fig. 11, which shows a propeller in which defects were detected using ultrasonic, x-ray, fluorescence and / or other non-destructive testing and introscopy, remaining after the usual manufacturing operations, such as coating, heating, grinding machining, welding and removal or deposition of metal on the body of the propeller. In this case, portable ultrasonic shock transducers are usually used for ultrasonic local impact thermomechanical plasticization of the surface and subsurface region in the treatment zone in order to remove defects, create a given surface texture, increase strength and improve functioning, and also increase the service life of the propeller.
Обычные известные ранее виды термообработки всего тела гребного винта в печи приводят к тому, что различные массы, конфигурации и области границ гребного винта испытывают различные остаточные напряжения и термические деформации, что ухудшает эксплуатационные качества гребного винта при выполнении его желательных служебных функций в течение длительного или короткого промежутка времени. Известная ранее операция шлифования поверхностей гребного винта не только приводит к созданию нежелательных характеристик шероховатости поверхности, но и вводит нежелательные поверхностные растягивающие напряжения, в результате чего происходит повреждение собственной поверхности, облегчающее коррозию под действием гидродинамического нагружения различной амплитуды в присутствии морской воды. Этот недостаток может быть скорректирован при помощи настоящего изобретения путем создания пластифицированной поверхности в контролируемых условиях, при помощи ультразвуковых термомеханических ударов с использованием наборов ударных элементов, которые контролируемым образом, а также случайным образом и апериодически, соударяются с поверхностью, когда ее сканируют в соответствии с заданной картиной обработки в заданной зоне обработки.Conventional previously known types of heat treatment of the entire propeller body in the furnace cause different masses, configurations, and regions of the propeller boundaries to experience different residual stresses and thermal deformations, which impairs the performance of the propeller when performing its desired service functions for a long or short time lapse. The previously known operation of grinding the surfaces of the propeller not only leads to the creation of undesirable characteristics of surface roughness, but also introduces undesirable surface tensile stresses, resulting in damage to its own surface, facilitating corrosion under the influence of hydrodynamic loading of various amplitudes in the presence of sea water. This disadvantage can be corrected using the present invention by creating a plasticized surface under controlled conditions, using ultrasonic thermomechanical shocks using sets of shock elements that in a controlled manner, as well as randomly and aperiodically, strike the surface when it is scanned in accordance with a predetermined processing picture in a given processing zone.
Таким образом, показанный на фиг.11 гребной винт 60, имеющий лопасть 61, ступицу 62 и галтели (63, 64 на фиг.10) с различными массами и конфигурациями поверхностей, может быть подвергнут ультразвуковой ударной обработке как в поверхностных, так и в субповерхностных областях лопасти, с использованием описанного выше преобразователя (инструмента) в соответствии с методологией настоящего изобретения. Следует иметь в виду, что гребной винт 60 является также представительным примером других тел металлических изделий, имеющих различные конфигурации и распределения масс и обладающих поверхностными зонами для сильного взаимодействия с другими средами, например, является примером тел металлических изделий, показанных на фиг.9, в которых создают заданные уровни сопротивления износу при трении, образованию трещин, усталостному разрушению, коррозии, растягивающим напряжениям и поверхностным неоднородностям. Для этого поверхностные зоны этих металлических тел сканируют при помощи наборов ударных игольчатых инденторов, обладающих свободой индивидуального относительного осевого движения в заданном диапазоне движения, в ответ на упор (соударение) в совершающую колебания поверхность возбуждения ультразвукового преобразователя энергии, что создает повышенную величину кинетической энергии, необходимую для пластификации и сжатия поверхностных и субповерхностных областей металлического тела на существенную глубину, что позволяет управлять конфигурацией поверхности, шероховатостью, твердостью, сжимающими напряжениями, силой контакта, пределами усталости, структурой зерна, сопротивлением коррозии и позволяет устранять субповерхностные дефекты. Следует иметь в виду, что эти игольчатые ударные элементы работают в режиме, описанном со ссылкой на фиг.6.Thus, the
Таким образом, предлагаемые способы ультразвуковой ударной пластификации тела металлического изделия позволяют передавать требующуюся энергию поверхности металлического тела от вырабатывающей энергию системы ультразвуковых колебаний, за счет сильного соударения с высокой скоростью набора ударных элементов с поверхностью зоны изделия. Уровни переданной энергии легко контролировать, чтобы получить требуемые результаты при соответствующих массах и скоростях ударных игл, при соответствующей ультразвуковой частоте и амплитуде колебаний и т.п. Предпочтительный вариант характеризуется наличием согласованного преобразователя энергии, содержащего физически взаимосвязанные группы скоординированных последовательно расположенных сопряженных субсистем, в соответствии с описанным здесь ранее. Каждая из указанных субсистем имеет характеристику собственного резонанса, выбранную в виде гармоники заданной единичной первичной (основной) ультразвуковой частоты импульсного источника энергии возбуждения, за счет чего возбуждение вынужденных собственных резонансных колебаний с использованием имеющегося источника ультразвуковой энергии существенно повышает и концентрирует имеющуюся выходную энергию, позволяющую направлять набор ударных элементов к поверхности обрабатываемого изделия.Thus, the proposed methods of ultrasonic shock plasticization of the body of a metal product allow you to transfer the required energy to the surface of the metal body from the energy-generating system of ultrasonic vibrations, due to the strong impact with a high speed of the set of shock elements with the surface area of the product. The levels of transferred energy are easily controlled in order to obtain the desired results with the corresponding masses and speeds of the impact needles, with the corresponding ultrasonic frequency and amplitude of oscillations, etc. The preferred embodiment is characterized by the presence of a coordinated energy converter containing physically interconnected groups of coordinated sequentially located conjugated subsystems, as described previously here. Each of these subsystems has a characteristic of its own resonance, selected in the form of a harmonic of a given unit primary (main) ultrasonic frequency of a pulsed excitation energy source, due to which the excitation of forced intrinsic resonance oscillations using an existing ultrasonic energy source significantly increases and concentrates the available output energy, which allows directing set of percussion elements to the surface of the workpiece.
Индивидуальные инденторные элементы с осевой свободой движения, расположенные в инденторном наборе головки преобразователя, которые совершают колебания за счет упора (столкновения) в поверхность возбуждения преобразователя энергии, которая колеблется на первичной ультразвуковой частоте, соударяются с поверхностью изделия контролируемым и случайным апериодическим образом, с энергией, достаточной для того, чтобы пластифицировать субповерхностные области металла в теле изделия. Эта обработка поверхности изделия новым образом, позволяет получать по желанию более гладкие или более шероховатые характеристики поверхности, во время фазы пластификации проводимой операции. Субповерхностная обработка, с последующим упрочнением зон пластификации изделия, позволяет прикладывать существенные сжимающие силы и сохранять сжатый поверхностный слой металла для восприятия сил, превышающих предел текучести металла изделия, такого как чугун. Различные элементы изделия, которые соединены, например, галтелями, проходят однородную обработку, что снижает уровни напряжений и приводит к повышению эксплуатационных качеств и срока службы изделия.Individual indenter elements with axial freedom of movement, located in the indenter set of the transducer head, which oscillate due to the stop (collision) in the excitation surface of the energy transducer, which oscillates at the primary ultrasonic frequency, collide with the surface of the product in a controlled and random aperiodic manner, with energy, sufficient to plasticize the subsurface regions of the metal in the body of the product. This surface treatment of the product in a new way, allows you to obtain, if desired, smoother or rougher surface characteristics during the plasticization phase of the operation. Sub-surface treatment, followed by hardening of the plasticization zones of the product, allows you to apply significant compressive forces and maintain a compressed surface layer of metal to absorb forces exceeding the yield strength of the metal of the product, such as cast iron. Various elements of the product, which are connected, for example, fillets, undergo uniform processing, which reduces stress levels and leads to increased performance and service life of the product.
Эти характеристики и преимущества настоящего изобретения могут быть использованы, в частности, при обработке показанного на фиг.11 гребного винта 60, в котором "литая" основная секция 70 лопасти 61 гребного винта заполнена добавочным металлом 71, например, при помощи наплавки 72. Это создает нежелательные внутренние растягивающие напряжения вблизи от границ сварного соединения, которые могут быть смягчены за счет пластификации при помощи методологии ультразвуковой ударной станочной обработки в соответствии с настоящим изобретением, примененной к выбранным поверхностным зонам лопасти гребного винта после операций сварки и шлифования, проводимых обычным образом.These characteristics and advantages of the present invention can be used, in particular, when processing the
Как уже было упомянуто здесь ранее, настоящего изобретения позволяет исключить термообработку гребного винта, обычно проводимую после заварки для удаления дефектов, для релаксации и снижения уровня остаточных напряжений после сварки, повышения стабильности размеров гребного винта при эксплуатации, обеспечения геометрической точности, указанной в чертежах, и повышения усталостного и коррозионного сопротивлений.As already mentioned here, the present invention eliminates the heat treatment of the propeller, usually carried out after welding to remove defects, to relax and reduce the level of residual stresses after welding, to increase the dimensional stability of the propeller during operation, to ensure geometric accuracy indicated in the drawings, and increase fatigue and corrosion resistance.
Дефекты в виде газовых раковин 73, которые появляются в реструктурированной исходной отливке, могут быть устранены за счет станочной обработки с последующей сваркой и обработкой осажденного металла, за счет пластификации в соответствии с методологией ультразвуковой ударной станочной обработки в соответствии с настоящим изобретением. Аналогичным образом, кластеры пор 74, интергранулярные трещины и пограничные дефекты 75, дефекты 76 сварного шва и дефекты объединения граничных поверхностей отливки при помощи добавленного материала 77, могут быть устранены при помощи пластификации субповерхностных областей за счет приложенных к поверхности ультразвуковых ударов, наносимых случайным образом при помощи набора индивидуальных ударных игл, совершающих свободное осевое движение. Таким образом, остаточные напряжения за счет сварки ослабляются при помощи поверхностного удара, совершаемого при помощи набора совершающих свободное осевое движение инденторов, соударяющихся контролируемым и случайным образом с поверхностью в непосредственной близости от сварных зон, как это предусмотрено в соответствии с настоящим изобретением. Кроме того, производят обработку поверхностей раздела лопасти, ступицы и поверхностей галтели, для того, чтобы ослабить остаточные напряжения изготовления и создать поверхность с более высокой коррозионной стойкостью, например, за счет создания имеющего более высокую прочность сжатого поверхностного и субповерхностного наружного слоя.Defects in the form of
Далее будет описана в более общем виде природа процесса обработки в соответствии с настоящим изобретением и полученного после обработки изделия. Для этого обратимся к рассмотрению фиг.12, на которой показан график зависимости прочности от напряжения, показывающий зависимость пластической зоны от температуры для чугунного изделия, при его нагружении в заданном рабочем режиме, например, во время сжатия вращаемого подшипника, когда произведена ультразвуковая обработка базового металла изделия по способу в соответствии с настоящим изобретением. На графике показаны пределы текучести S материала для различных температур. Так, например, при 100°С, предел текучести рабочего материала снижается до 73% от предела текучести материала при температуре окружающей среды (20°С). Таким образом, выгодно производить обработку металла изделия при температуре окружающей среды в соответствии с настоящим изобретением, что обсуждается далее более подробно со ссылкой на фиг.15.Next, the nature of the processing process in accordance with the present invention and obtained after processing the product will be described more generally. To do this, we turn to consideration of Fig. 12, which shows a graph of the dependence of strength on stress, showing the dependence of the plastic zone on temperature for a cast iron product, when it is loaded in a given operating mode, for example, during compression of a rotatable bearing when ultrasonic treatment of the base metal is performed products according to the method in accordance with the present invention. The graph shows the yield strength S of the material for various temperatures. So, for example, at 100 ° C, the yield strength of the working material is reduced to 73% of the yield strength of the material at ambient temperature (20 ° C). Thus, it is advantageous to process the metal of the article at ambient temperature in accordance with the present invention, which is discussed in more detail below with reference to FIG.
На фиг.13 показана классическая кривая зависимости напряжения от нагрузки для материала изделия, причем сила напряжения F отложена по вертикальной оси, а деформация отложена по горизонтальной оси. На кривой имеются три зоны деформации (I, II и III), которые относятся к операции станочной обработки и эксплуатации поверхности изделия, на которую воздействуют силы сжатия и скольжения при взаимодействии с сопряженными поверхностями. Прелагаемый способ ультразвуковой обработки создает деформации за счет сжатия металла в зоне поверхности, которые близки к пределу прочности металла в зоне III кривой, в то время как известные ранее способы, такие как нагартовка, работают при пластическом состоянии металла изделия, то есть в зоне II, ниже предела текучести.On Fig shows a classic curve of the dependence of stress on load for the product material, and the stress force F is plotted on the vertical axis, and the deformation is plotted on the horizontal axis. On the curve there are three deformation zones (I, II and III), which relate to the operation of machine processing and operation of the surface of the product, which is affected by compression and sliding forces when interacting with mating surfaces. The proposed method of ultrasonic treatment creates deformations due to compression of the metal in the surface zone, which are close to the tensile strength of the metal in zone III of the curve, while previously known methods, such as hardening, work with the plastic state of the metal of the product, that is, in zone II, below yield strength.
На фиг.14 показаны две сопряженные поверхности 78 и 79 металлического изделия, причем различные уровни деформации вводят в поверхность изделия 78 при помощи ультразвуковой ударной станочной обработки по способу в соответствии с настоящим изобретением, как это показано схематично. Сопряженная поверхностная область или область 87 опоры нагружается во время заданной работы изделия. Соответствующие субповерхностные слои показаны как зоны I, II и III. Здесь важно отметить, что рабочая поверхность обработанного металла сжимается и поэтому находится в зоне III вблизи от предела прочности базового металла тела изделия. Ниже этого наружного защитного слоя сжатого металла, имеющего высокую прочность, в зоне деформации II фиг.13 находится слой материала, деформированного до его предела текучести. Упругая область тела изделия остается в зоне I фиг.13.FIG. 14 shows two
Таким образом, как это схематично показано на фиг.14, сила сжатия, приложенная при помощи имеющих высокую кинетическую энергию игольчатых инденторов в соответствии с настоящим изобретением, создают поверхностную прочность в зоне III максимальной прочности материала во время станочной обработки изделия, что позволяет для чугунного изделия, полученного в пластическом состоянии II, получать рабочую поверхность, имеющую более сильно сжатый поверхностный слой для взаимодействия с сопряженной деталью, обычно в режиме сжатия и скользящего контакта. Это приводит к более высоким допустимым приложенным усилиям и большему сроку службы изделия.Thus, as shown schematically in FIG. 14, the compression force exerted by the high kinetic energy needle indenters in accordance with the present invention creates surface strength in zone III of the maximum material strength during machining of the product, which allows for a cast iron product obtained in the plastic state II, to obtain a working surface having a more strongly compressed surface layer for interaction with the conjugated part, usually in compression mode and sliding contact KTA. This leads to a higher allowable effort and a longer product life.
Для достижения указанного результата, как это показано на фиг.15, используют ударный игольчатый элемент с малой площадью поперечного сечения, который соударяется с рабочей поверхностью и производит ее сжатие с высокой скоростью, при осуществлении способов ультразвуковой ударной станочной обработки в соответствии с настоящим изобретением.To achieve this result, as shown in Fig. 15, an impact needle element with a small cross-sectional area is used, which collides with the working surface and compresses it at high speed when implementing ultrasonic impact machine processing methods in accordance with the present invention.
Из показанных на фиг.13 характеристик деформации можно видеть, что первое плато (пологий участок кривой) образуется в том случае, когда ударные усилия достигают предела текучести материала в зоне II и образуют пластические вмятины в материале изделия.From the deformation characteristics shown in FIG. 13, it can be seen that the first plateau (flat portion of the curve) is formed when the impact forces reach the yield strength of the material in zone II and form plastic dents in the product material.
Это отличается от области зоны III, в которой способ ультразвуковой ударной станочной обработки вводит деформацию в поверхностный слой изделия, приводящую к упрочнению сжатого поверхностного рабочего слоя изделия глубиной до 2 мм, в точке, находящейся в диапазоне от 0.9 до 0.95 от максимальной прочности чугуна, что позволяет существенно повысить допустимые рабочие силы сжатия и приводит к устранению известных ранее концентраций напряжения у этой поверхности и к снижению развития трещин при эксплуатации. В данном случае, полная глубина слоя, который включает в себя упомянутый выше упрочненный слой, упругий слой сжимающего напряжения и слой, релаксированный за счет импульсных и ультразвуковых напряжений, простирается до глубины по меньшей мере 12 мм, что превышает ожидаемую глубину износа в течение длительной эксплуатации такого изделия, как подшипник или тормозной барабан. Когда прикладывают ультразвуковые удары, при сканировании всей рабочей поверхности изделия, с использованием ударных игл, то этот усовершенствованный способ обеспечивает однородную поверхностную текстуру на поверхности, в диапазоне от легкой шероховатости с микротекстурой для нанесения материала покрытия, до главным образом оптической гладкости, желательной, например, для заготовки лопасти гребного винта. Известные ранее способы нагартовки поверхности образуют области пластической деформации с введенными сжимающими напряжениями, не превышающими предел текучести материала, до глубин около 2 мм, и поэтому не могут существенно повысить срок службы до полного износа изделия, по сравнению с тем, что может быть получено за счет комбинированного действия ультразвукового удара и волны, с созданием сжимающих напряжений, равных пределу прочности обработанного материала, при упругом и релаксационном воздействии на материал до глубин до 12 мм от поверхности, в соответствии с настоящим изобретением.This differs from the region of zone III, in which the ultrasonic impact machining method introduces deformation into the surface layer of the product, leading to hardening of the compressed surface working layer of the product to a depth of 2 mm, at a point in the range from 0.9 to 0.95 of the maximum strength of cast iron, which can significantly increase the allowable working forces of compression and leads to the elimination of previously known stress concentration at this surface and to reduce the development of cracks during operation. In this case, the total depth of the layer, which includes the aforementioned hardened layer, an elastic layer of compressive stress and a layer relaxed by pulsed and ultrasonic stresses, extends to a depth of at least 12 mm, which exceeds the expected wear depth during long-term operation a product such as a bearing or brake drum. When ultrasonic shocks are applied while scanning the entire working surface of the product using impact needles, this improved method provides a uniform surface texture on the surface, ranging from light roughness with microtexture for applying the coating material, to mainly optical smoothness, desired, for example, for the preparation of the propeller blades. Previously known methods of surface hardening form regions of plastic deformation with introduced compressive stresses not exceeding the yield strength of the material, to depths of about 2 mm, and therefore cannot significantly increase the service life until complete wear of the product, compared to what can be obtained due to the combined action of ultrasonic shock and wave, with the creation of compressive stresses equal to the tensile strength of the treated material, with elastic and relaxation effects on the material to depths up to 12 mm from surfaces in accordance with the present invention.
Таким образом, способы ультразвуковой ударной станочной обработки в соответствии с настоящим изобретением повышают характеристики износа при трении, эксплуатационные качества и срок службы поверхностей вращательных подшипников, причем эти способы легко могут быть реализованы при помощи возбуждаемых ультразвуковым преобразователем ударных элементов и систем станочной обработки в соответствии с настоящим изобретением, что позволяет повысить ожидаемый срок службы конкретных изделий. Ультразвуковую ударную энергию прикладывают при уровне интенсивности, достаточном для создания картин поверхностной и субповерхностной деформации, которые обеспечивают повышенную прочность в поверхностном слое и сбалансированное распределение сил в зоне I упругого объема базового материала тела изделия (фиг.14), что совместно с наружной текстурированной поверхностью, подходящей для специфической эксплуатации изделия, снижает термомеханическую усталость и разрушение в результате задира или заедания или термическое растрескивание в условиях сухого контакта скольжения и фрикционного нагружения рабочей поверхности.Thus, the ultrasonic impact machining methods in accordance with the present invention increase the friction wear characteristics, the performance and the service life of the surfaces of rotary bearings, and these methods can easily be implemented using the shock elements excited by the ultrasonic transducer and machine processing systems in accordance with this invention, which allows to increase the expected service life of specific products. Ultrasonic shock energy is applied at an intensity level sufficient to create patterns of surface and subsurface deformation, which provide increased strength in the surface layer and a balanced distribution of forces in zone I of the elastic volume of the base material of the body of the product (Fig), which together with the outer textured surface, suitable for specific use of the product, reduces thermomechanical fatigue and fracture due to scuffing or seizing or thermal cracking in dry sliding contact and frictional loading of the working surface.
На фиг.16-23 показано улучшение текучести жидкости 80 мимо поверхности 81 после ее ультразвуковой ударной станочной обработки. Известно, что поток жидкости, протекающий мимо гладкой поверхности, имеет слой смачивания 82 средней толщины у поверхности 81, где скорость близка к нулю, причем скорость потока возрастает при удалении от контактирующей поверхности (фиг.17). На фиг.17 показан график относительной скорости жидкости 80, протекающей мимо поверхности 81, в функции расстояния от области контакта между жидкостью 80 и поверхностью 81. В результате, в контактной точке поверхности 81 этот поток является турбулентным и содержит вихри 84 с кавитационными свойствами. Эти вихри 84 относительно равномерно распределены в зависимости от свойств жидкости 80, как это показано на фиг.16. Эти вихри 84 приводят к эффекту зыби (пульсаций) в каждом вихре 84, с высокой степенью поверхностной кавитации. Это разрушает и реформирует вихрь 84 у поверхности 81, что приводит к образованию карманов с высокой концентрацией поверхностной эрозионной кавитации 85 и к коррозии. Эти области атакуют поверхность 81 и приводят к возникновению сильной эрозии поверхности и коррозионной усталости. Это проявляется на поверхности 81 при помощи питтинга, который в конечном счете ведет к растрескиванию и преждевременному разрушению. Расстояние между центрами двух соседних вихрей, которое непосредственно связано с размером вихря 84, на фиг.18 показано в виде функции скорости потока жидкости 80 мимо поверхности 81. По мере того, как скорость потока возрастает, расстояние между центрами двух соседних вихрей 84 уменьшается. Это приводит к повышению концентрации поверхностной эрозионной кавитации 85 на поверхности 81.On Fig-23 shows the improvement of fluidity of the fluid 80 past the
Специфическая сила кавитационного взрыва (SPCE), которая является функцией размера или частоты вихрей, определяет расстояние между смежными вихрями, как это показано на фиг.19. Чем больше расстояние между центрами вихрей, тем меньше величина SFCE. Чем меньше расстояние между центрами вихрей, тем больше величина SFCE. Таким образом, так как расстояние между вихрями зависит от скорости потока (фиг.18), то SFCE является функцией скорости потока, как это показано на фиг.20. На фиг.20 показано, что если скорость потока возрастает, то активность эрозионной кавитации на поверхности потока возрастает. Эти соотношения и результаты наблюдений верны для гладких поверхностей. Этот турбулентный эффект также влияет на способность тела к перемещению в среде. Когда тело движется в турбулентном потоке, тогда поглощается дополнительная энергия для преодоления сопротивления среды, которое называют сопротивлением движению. Турбулентность нарушает стабильность движения и создает неблагоприятные и потенциально опасные резонансные колебания в движущемся теле. Кроме того, эффект Бернулли, связанный с градиентом скорости внутри объединенных вихрей у поверхности, приводит к неравномерному распределению давления в объеме движущегося тела. Такие флуктуации давления вызывают в жидкости кавитацию. При определенном соотношении между скоростью и давлением в потоке, кавитация, в свою очередь, вызывает эрозию поверхности потока, нарушает гидродинамические характеристики тела, вокруг которого течет жидкость, и со временем образует концентрации на поверхности, которые, в свою очередь, дают начало динамическому и усталостному разрушениям. Примером такого движущегося в жидкой среде тела является гребной винт корабля или корпус корабля.The specific force of the cavitation explosion (SPCE), which is a function of the size or frequency of the vortices, determines the distance between adjacent vortices, as shown in Fig. 19. The greater the distance between the centers of the vortices, the smaller the SFCE value. The smaller the distance between the centers of the vortices, the greater the SFCE value. Thus, since the distance between the vortices depends on the flow velocity (Fig. 18), SFCE is a function of the flow velocity, as shown in Fig. 20. On Fig shows that if the flow rate increases, the activity of erosion cavitation on the surface of the stream increases. These relations and observation results are valid for smooth surfaces. This turbulent effect also affects the body's ability to move in the environment. When the body moves in a turbulent flow, then additional energy is absorbed to overcome the resistance of the medium, which is called resistance to movement. Turbulence violates the stability of movement and creates adverse and potentially dangerous resonant vibrations in a moving body. In addition, the Bernoulli effect, associated with the velocity gradient inside the combined vortices at the surface, leads to an uneven distribution of pressure in the volume of the moving body. Such pressure fluctuations cause cavitation in the fluid. With a certain ratio between the speed and pressure in the flow, cavitation, in turn, causes erosion of the flow surface, violates the hydrodynamic characteristics of the body around which the fluid flows, and eventually forms concentrations on the surface, which, in turn, give rise to dynamic and fatigue destruction. An example of such a body moving in a liquid medium is the ship’s propeller or ship’s hull.
Как это показано на фиг.21-23, измененный в результате ультразвуковой ударной станочной обработки поверхностный макро- и микрорельеф такого тела изменяет параметры потока жидкости 80 у границы контакта между поверхностью 81 тела и жидкостью 80. Ультразвуковая ударная станочная обработка приводит к наложению макро- и микрорельефа на поверхность 81 тела, таким образом, что геометрия этого рельефа совмещается с возможной комбинацией промежутков между центрами вихрей.As shown in Figs. 21-23, the surface macro- and microrelief of such a body changed as a result of ultrasonic impact machining changes the
Этот эффект показан на фиг.21, 22 и 23. Новый поверхностный рельеф поверхности 81, образованный в соответствии с настоящим изобретением, приводит к тому, что геометрия поверхности 81 надлежащим образом соответствует поверхности вихревого потока, протекающего мимо поверхности 81. С использованием графиков, показанных на фиг.17, 18, 19 и 20, можно предсказать фазовый сдвиг и размер вихрей, а также их перекрытие.This effect is shown in FIGS. 21, 22 and 23. The new surface topography of the
Кроме того, жидкость 80 заполняет вдавленности (выемки) на поверхности 81, полученные в результате ультразвуковой ударной станочной обработки, и в основном удерживается в них. За счет этого, слой жидкости, в котором скорость у поверхности 81 почти равна нулю (показанный на фиг.16), не находится в прямом контакте с поверхностью 81 движущегося тела, как это показано на фиг.21, 22 и 23, что приводит к ламинарному потоку 86 относительно поверхности 81 и образует защитный экран для движущегося тела. Это новая ситуация радикально снижает градиент скорости, устраняет предпосылки для образования вихрей и, следовательно, для возможного образования турбулентного потока. Это дает предпосылки для образования ламинарного потока 86 относительно поверхности 81.In addition, the liquid 80 fills the depressions (recesses) on the
За счет ламинарного потока 86 исключаются явления нестабильности движения, которые являются неблагоприятными и присутствуют при турбулентности. В результате отсутствуют резонансные колебания тела при его движении в потоке и отсутствуют потери энергии за счет сопротивления среды в состоянии турбулентности. Следовательно, исключается кавитация и повреждение поверхности, возникающие при турбулентности, и поэтому нет опасности непредсказуемого динамического и усталостного разрушения.Due to the
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает новый способ увеличения срока службы, повышения надежности и долговечности тел, подверженных воздействию интенсивного потока среды и течений. В соответствии с настоящим изобретением предлагается новый принцип гидродинамики и поверхностной геометрии и конфигурации. Всегда есть вероятность того, что новые суда могут попадать в условия воздействия интенсивного потока жидкости. Настоящее изобретение позволяет судам двигаться в жидкой среде в условиях ламинарного потока и не подвергаться риску преждевременного разрушения за счет интенсивного воздействия турбулентного потока. Это приводит к новому способу снижения сопротивления в потоке, который улучшает гидродинамику движения тела в среде, и к новому способу защиты поверхности в агрессивной среде.Thus, the present invention provides a new way to increase the service life, increase the reliability and durability of bodies exposed to intense flow of the medium and currents. In accordance with the present invention, a new principle of hydrodynamics and surface geometry and configuration. There is always the possibility that new vessels may fall under conditions of exposure to intense fluid flow. The present invention allows vessels to move in a liquid environment under conditions of laminar flow and not be at risk of premature destruction due to the intense effects of turbulent flow. This leads to a new method of reducing the resistance in the flow, which improves the hydrodynamics of body motion in the medium, and to a new method of protecting the surface in an aggressive environment.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается обработка металлического изделия, позволяющая пластифицировать поверхность изделия и смежные субповерхностые области за счет ультразвукового удара при помощи набора совершающих свободное движение по оси ударных элементов, возбуждаемых за счет передачи колебательной энергии от поверхности преобразователя, совершающего колебания на единственной ультразвуковой частоте, в результате чего случайным или контролируемым образом производят сильный удар в рабочую граничную поверхность металлического изделия при помощи ударных элементов в наборе, что создает достаточную кинетическую энергию для пластификации поверхности изделия и смежной субповерхностной области на существенную глубину, при этом изделие остается при температуре окружающей среды.In accordance with the present invention, it is proposed to process a metal product that allows plasticizing the surface of the product and adjacent subsurface areas due to ultrasonic shock using a set of shock elements performing free movement along the axis, excited by the transmission of vibrational energy from the surface of the transducer oscillating at a single ultrasonic frequency, as a result of which, in a random or controlled manner, they produce a strong blow to the working boundary surface metal products using the percussive elements in the set, which creates sufficient kinetic energy to plasticize the surface of the product and the adjacent subsurface area to a substantial depth, while the product is at ambient temperature.
Новый преобразователь в соответствии с настоящим изобретением является многоступенчатым и содержит множество последовательно соединенных ступеней, имеющих различные сопряженные разностные резонансные частотные характеристики, гармонически связанные с единственной частотой источника ультразвуковой энергии, причем указанный преобразователь характеризуется тем, что набор ударных элементов, имеющий свободу осевого движения, который возбуждается при помощи источника энергии с единственной ультразвуковой рабочей частотой, случайным образом (асинхронно) или контролируемым образом соударяется с поверхностью изделия. Устройство сканирования перемещает набор ударных элементов преобразователя, вступающих в сильный контакт с поверхностью изделия, по заданной зоне обработки на поверхности изделия, для того, чтобы произвести однородную термическую обработку по всей зоне обработки при помощи случайных ударов ударных элементов, что позволяет пластифицировать поверхность металлического изделия и смежную субповерхностную область.The new transducer in accordance with the present invention is multi-stage and contains many series-connected stages having different conjugate difference resonant frequency characteristics harmonically associated with a single frequency of the ultrasonic energy source, and this transducer is characterized in that the set of shock elements having freedom of axial motion, which excited by an energy source with a single ultrasonic operating frequency, random manner (asynchronously) in a controlled manner or collides with the surface of the product. The scanning device moves a set of shock elements of the transducer, which come into strong contact with the surface of the product, over a predetermined processing zone on the surface of the product, in order to produce uniform heat treatment throughout the processing zone with random impacts of the shock elements, which allows plasticizing the surface of the metal product and adjacent subsurface region.
Таким образом, новая матрица ударных элементов, выполненная с возможностью свободного осевого движения ударных элементов по пути нанесения удара между возбуждающим энергию контактом с колеблющейся упорной поверхностью преобразователя и преобразованием энергии за счет удара в поверхность изделия, позволяет получить новый режим приведения в движение набора ударных элементов, которые соударяются случайным образом с поверхностью изделия.Thus, a new matrix of shock elements made with the possibility of free axial movement of the shock elements along the path of striking between the energy-exciting contact with the oscillating thrust surface of the transducer and the conversion of energy due to shock to the surface of the product, allows to obtain a new mode of driving a set of shock elements, which collide randomly with the surface of the product.
Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят за рамки формулы изобретения.Despite the fact that the preferred embodiment of the invention has been described, it is very clear that it may be modified by experts in the field and additions that are not beyond the scope of the claims.
Claims (6)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US10/207,859 US6932876B1 (en) | 1998-09-03 | 2002-07-31 | Ultrasonic impact machining of body surfaces to correct defects and strengthen work surfaces |
US10/207,859 | 2002-07-31 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2005103594A RU2005103594A (en) | 2005-07-27 |
RU2387531C2 true RU2387531C2 (en) | 2010-04-27 |
Family
ID=31494256
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005103594/02A RU2387531C2 (en) | 2002-07-31 | 2003-04-17 | Procedure for ultra-sonic impact machine treatment of body surfaces to correct defects and to strengthen working surfaces |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP1552028A4 (en) |
AU (1) | AU2003247341A1 (en) |
CA (1) | CA2491743A1 (en) |
RU (1) | RU2387531C2 (en) |
WO (1) | WO2004013359A1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014031089A1 (en) * | 2012-08-23 | 2014-02-27 | Kudryavtsev Yuriy | Method for ultrasonic impact treatment of surfaces of components and welded joints |
RU2531990C2 (en) * | 2013-02-21 | 2014-10-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли РФ | Screw propeller life extension |
CN108555528A (en) * | 2018-04-07 | 2018-09-21 | 大连理工大学 | A kind of explosive valve stress bolt weakens rooved face ultrasonic implement treatment device and its working method |
RU2715404C1 (en) * | 2019-09-09 | 2020-02-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Method of creating a screw propeller workpiece |
Families Citing this family (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6932876B1 (en) | 1998-09-03 | 2005-08-23 | U.I.T., L.L.C. | Ultrasonic impact machining of body surfaces to correct defects and strengthen work surfaces |
US6338765B1 (en) | 1998-09-03 | 2002-01-15 | Uit, L.L.C. | Ultrasonic impact methods for treatment of welded structures |
US7399371B2 (en) | 2004-04-16 | 2008-07-15 | Nippon Steel Corporation | Treatment method for improving fatigue life and long-life metal material treated by using same treatment |
US7301123B2 (en) | 2004-04-29 | 2007-11-27 | U.I.T., L.L.C. | Method for modifying or producing materials and joints with specific properties by generating and applying adaptive impulses a normalizing energy thereof and pauses therebetween |
US7276824B2 (en) | 2005-08-19 | 2007-10-02 | U.I.T., L.L.C. | Oscillating system and tool for ultrasonic impact treatment |
KR101732185B1 (en) | 2010-01-06 | 2017-05-11 | 도시유끼 가에리야마 | Micro movable structure driving control method of micro electro mechanical system and control apparatus thereof |
RU2457100C2 (en) * | 2010-05-11 | 2012-07-27 | Альберт Викторович Королев | Method of residual stress relaxation |
CN102433427A (en) * | 2011-12-05 | 2012-05-02 | 沈阳理工大学 | Method for enhancing surface intensity of rail steel |
CN108754122B (en) * | 2018-06-27 | 2023-11-10 | 中国核工业华兴建设有限公司 | Automatic ultrasonic impact welding residual stress eliminating device |
CN109097545B (en) * | 2018-10-08 | 2023-09-15 | 吉林大学 | Device and method for modifying amorphous alloy surface by laser preheating and high-frequency vibration coupling |
CN110298107B (en) * | 2019-06-26 | 2022-10-14 | 中煤能源研究院有限责任公司 | Working face impact risk evaluation method based on incremental stacking |
CN110539055B (en) * | 2019-08-16 | 2021-03-30 | 上海交通大学 | Large-current high-frequency arbitrary waveform arc coupling ultrasonic energy field excitation device and method |
CN112643501B (en) * | 2019-10-12 | 2022-06-24 | 丹阳亿鑫合金有限公司 | Method for removing oxide layer on surface of nickel-chromium alloy |
CN111763817A (en) * | 2020-07-31 | 2020-10-13 | 江苏阳明船舶装备制造技术有限公司 | Automatic dolly of magnetism suitable for curved surface |
CN113604652B (en) * | 2021-08-02 | 2023-03-21 | 吉林大学重庆研究院 | Device for blade profile ultrasonic strengthening |
CN113604651B (en) * | 2021-08-02 | 2023-03-21 | 吉林大学重庆研究院 | Device for ultrasonic strengthening of blade profile |
CN115338426B (en) * | 2022-07-20 | 2023-09-26 | 武汉理工大学 | Device and method for strengthening 3D printing workpiece |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3622404A (en) * | 1969-02-19 | 1971-11-23 | Leonard E Thompson | Method and apparatus for stress relieving a workpiece by vibration |
US5035142A (en) * | 1989-12-19 | 1991-07-30 | Dryga Alexandr I | Method for vibratory treatment of workpieces and a device for carrying same into effect |
WO1991017273A1 (en) * | 1990-05-08 | 1991-11-14 | Vysshee Tekhnicheskoe Uchebnoe Zavedenie 'sevmashvtuz' | Method and operational technological system for ultrasonic shock treatment |
US5242512A (en) * | 1992-03-13 | 1993-09-07 | Alloying Surfaces, Inc. | Method and apparatus for relieving residual stresses |
JPH091666A (en) * | 1995-06-21 | 1997-01-07 | Suzuki Motor Corp | Ultrasonic processing apparatus |
US6338765B1 (en) * | 1998-09-03 | 2002-01-15 | Uit, L.L.C. | Ultrasonic impact methods for treatment of welded structures |
CA2348834A1 (en) * | 2000-05-30 | 2001-11-30 | George I Prokopenko | Device for ultrasonic peening of metals |
GB2367028B (en) * | 2000-09-22 | 2004-06-09 | Rolls Royce Plc | Gas turbine engine rotor blades |
-
2003
- 2003-04-17 EP EP03766806A patent/EP1552028A4/en not_active Withdrawn
- 2003-04-17 AU AU2003247341A patent/AU2003247341A1/en not_active Abandoned
- 2003-04-17 WO PCT/US2003/011791 patent/WO2004013359A1/en not_active Application Discontinuation
- 2003-04-17 RU RU2005103594/02A patent/RU2387531C2/en not_active IP Right Cessation
- 2003-04-17 CA CA002491743A patent/CA2491743A1/en not_active Abandoned
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014031089A1 (en) * | 2012-08-23 | 2014-02-27 | Kudryavtsev Yuriy | Method for ultrasonic impact treatment of surfaces of components and welded joints |
RU2531990C2 (en) * | 2013-02-21 | 2014-10-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли РФ | Screw propeller life extension |
CN108555528A (en) * | 2018-04-07 | 2018-09-21 | 大连理工大学 | A kind of explosive valve stress bolt weakens rooved face ultrasonic implement treatment device and its working method |
RU2715404C1 (en) * | 2019-09-09 | 2020-02-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Method of creating a screw propeller workpiece |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP1552028A1 (en) | 2005-07-13 |
AU2003247341A1 (en) | 2004-02-23 |
EP1552028A4 (en) | 2006-06-14 |
RU2005103594A (en) | 2005-07-27 |
CA2491743A1 (en) | 2004-02-12 |
WO2004013359A1 (en) | 2004-02-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2387531C2 (en) | Procedure for ultra-sonic impact machine treatment of body surfaces to correct defects and to strengthen working surfaces | |
US6932876B1 (en) | Ultrasonic impact machining of body surfaces to correct defects and strengthen work surfaces | |
US6338765B1 (en) | Ultrasonic impact methods for treatment of welded structures | |
Malaki et al. | A review of ultrasonic peening treatment | |
Kudryavtsev et al. | Fatigue improvement of welded elements and structures by ultrasonic peening | |
US7032725B2 (en) | Ultrasonic machining and reconfiguration of braking surfaces | |
Kulekci et al. | Critical analysis of processes and apparatus for industrial surface peening technologies | |
Chan et al. | Hammer peening technology—the past, present, and future | |
Qutaba et al. | A review on peening processes and its effect on surfaces | |
Kumar et al. | Modified shot peening processes—A review | |
Yadava et al. | Design of horn for rotary ultrasonic machining using the finite element method | |
Singh et al. | Mathematical modeling of tool wear rate in ultrasonic machining of titanium | |
Ma et al. | Analysis of residual stress of gear tooth root after shot peening process | |
Kudryavtsev et al. | Fatigue life improvement of tubular welded joints by ultrasonic peening | |
Kudryavtsev et al. | Increasing fatigue strength of welded joints by ultrasonic impact treatment | |
Kelemesh et al. | Research of wear resistance of bronze bushings during plastic vibration deformation | |
Biddell et al. | The development of oscillatory metal-drawing equipment—an engineer's view | |
CN113502388A (en) | Device and method for strengthening treatment of inner hole wall surface with super-large length-diameter ratio | |
RU2743500C1 (en) | Method for strengthening the surface layer of the compressor blades of gas turbine engines | |
Kudryavtsev et al. | fatigue improvement of HSS welded elements by ultrasonic peening | |
Prykhodko et al. | Creation of Ultrasonic Equipment for Strengthening and Relaxation Treatment of Welded Structures in Railcar Building | |
Ganiev et al. | Ultrasonic micro-forging by two coaxial longitudinal waveguides with a fixed gap: model and application | |
Kudryavtsev | Fatigue improvement of welded elements by ultrasonic impact treatment | |
Kleiman et al. | Benefits of ultrasonic peening treatment in fatigue improvement of welded elements | |
Ravichandiran et al. | Effect of Surface Modification and Standoff Distance on Hydrodynamic Ductile Erosion |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FA92 | Acknowledgement of application withdrawn (lack of supplementary materials submitted) |
Effective date: 20090603 |
|
FZ9A | Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal) |
Effective date: 20090803 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100418 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20111010 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140418 |