Введение
Обеспечение качества функциональных покрытий, применяемых в машиностроении, в настоящее время является приоритетной задачей развития промышленности, что обуславливается внешними вызовами и активно проводимым импортозамещением. Для выполнения требований, влияющих на качество, активно разрабатываются различные методы нанесения покрытий, интенсифицировать которые можно за счет применение ультразвуковых колебаний.
Ультразвуковые колебания показали свою эффективность в различных процессах, как подготовки поверхности перед нанесением функциональных покрытий, так и непосредственно в процессе нанесения покрытия.
На этапе подготовки поверхности ультразвук успешно применяется в таких процессах, как:
‒ предварительная очистка обрабатываемой поверхности перед нанесением покрытия;
‒ создание необходимой величины шероховатости поверхности методом ультразвуковой прокатки;
‒ предварительная активация поверхности перед процессом азотирования за счет предварительного поверхностного пластического деформирования (ППД).
Ультразвук показал свою эффективность при очистке различных поверхностей, как простой, так и сложной формы, за счет использования кавитации и акустических потоков. Применение ультразвука позволяет многократно интенсифицировать процессы, происходящие в жидкости при очистке. Помимо повышения качества очистки ультразвук положительно влияет на поверхность при ППД. В этом случае за счет ультразвука при меньшем усилии прижима достигается требуемая шероховатость. Кроме того, ультразвук позволяет повысить глубину азотированного слоя за счет ППД перед азотированием в промежутке между операциями закалки и отпуска [1].
Также ультразвук эффективно влияет на процессы нанесения функциональных покрытий, такие как азотирование и нанесение лакокрасочных материалов (ЛКМ).
Однако при всех достоинствах ультразвука номенклатура используемых в данный момент колебательных систем и генераторов очень широка, что обуславливает сложности разработки новых технологий применения ультразвуковых колебаний на различных этапах создания функциональных покрытий. В связи с этим целью работы является разработка рекомендаций по использованию ультразвукового оборудования в различных технологических процессах создания функциональных покрытий.
Анализ оборудования и требований
к нему
Применение ультразвука при кристаллизации, очистке, воздействии на поверхность металла, распылении, воздействии на жидкость требует увеличения мощности при высокой эффективности и долговечности аппаратуры [2]. Также важным требованием является обеспечение стабильности режимов ультразвуковой обработки.
Исследование эффективности работы ультразвуковых установок показало, что выпускаемое серийное оборудование не удовлетворяет современным требованиям. Например, для генератора УЗГ 3-4 отношение массы к мощности составляет порядка 150 кг/кВт. Анализ энергетических аспектов введения ультразвуковых колебаний в нагрузку позволяет сформулировать технические требования к ультразвуковому оборудованию, предназначенному для использования в технологических процессах, связанных с нанесением функциональных покрытий:
– воздействия на поверхность твердого металла при температурах от комнатной до 600 ℃ (упрочнение поверхностного слоя и выглаживание поверхности);
– ультразвуковой очистки наружных поверхностей и поверхностей внутренних полостей изделий машиностроения;
– ультразвукового распыления вязких жидкостей.
Воздействие на поверхность твердого металла для выглаживания не требуется использования ультразвуковых установок большой мощности. В таком случае система может быть построена на базе генератора мощностью до 1,0 кВт, однако амплитуда колебательных смещений инструмента должна быть не менее 15…20 мкм.
Для очистки наружных поверхностей большинства деталей сложной формы и обработки внутренних поверхностей необходимо применение излучателей стержневого типа, позволяющих реализовать в жидкости удельную акустическую мощность более
12 Вт/см2. Для этого используются генераторы мощностью, не превышающей
3,0…4,0 кВт, обладающие высоким КПД (не менее 90 %) и удельной материалоемкостью генератора не более 10 кг/ кВт.
Существует большое количество ультразвуковых генераторов, позволяющих проводить ультразвуковые операции при широком спектре параметров. Доступные в Российской Федерации ультразвуковые генераторы имеют различные мощность, рабочие частоты и конструктивные особенности, примеры используемых генераторов с основными характеристиками представлены в табл. 1.
Наиболее распространенными являются генераторы УЗГ5-4,0/22, УЗГ17-2,0/22, УЗГ-2-22. Они предназначены для питания магнитострикционных преобразователей ультразвуковых колебательных систем различного технологического назначения. Эти генераторы отличаются удельной материалоемкостью, которая составляет 13,12; 11,25 и 3,5 кг/ кВт соответственно
Наиболее сбалансированным можно отметить УЗГ-2-22, внешний вид которого представлен на рис. 1. Генератор позволяет в широком частотном диапазоне решать исследовательские задачи, измерять амплитуду, ток, частоту, потребляемую мощность и другие параметры, снижать и исследовать амплитудно-частотные характеристики. Имея массу в 7,0 кг, данный генератор развивает мощность в 2,0 кВт, за счет чего превосходит генераторы УЗГ5-4,0/22 и УЗГ17-2,0/22 в удельной материалоемкости.
Помимо генераторов существует множество различных ультразвуковых преобразователей, как магнитострикционных (ПМС), так и пьезокерамических (ПП). Примеры используемых преобразователей с основными характеристиками представлены в табл. 2.
В качестве электроакустического преобразователя для работы в непрерывном режиме, которым является режим работы при технологических процессах, связанных с нанесением функциональных покрытий, наиболее рационально использовать магнитострикционные преобразователи с мощностью до 3,0 кВт.
Наиболее универсальным магнитострикционным преобразователем является ПМС1-1,0/22, внешний вид которой представлен на рис. 2. Данный ПМС является универсальным за счет оптимального соотношения мощность/амплитуда, что позволяет использовать ее в различных процессах обработки.
Данный преобразователь применяется для широкого спектра процессов ‒ сварки, размерной и жидкой обработки и т. п. Магнитострикционный эффект обеспечивает пакет пластин из пермендюра 49К2Ф. Однако для работы ПМС1-1,0/22, как и любого магнитострикционного преобразователя, необходимо охлаждение, что накладывает определенные ограничения на условия эксплуатации.
Подбор оборудования для конкретной технологии зачастую зависит от параметров процесса или материала, которые необходимо обеспечить.
Например, для нанесения лакокрасочного покрытия могут использоваться как магнитострикционные [3], так и пьезокерамические колебательные системы [4].
Экспериментальное исследование по влиянию ультразвука на процессы подготовки и распыления ЛКМ, проводимое с помощью магнитострикционной колебательной системы представлено в работе [3]. Описываемая колебательная система (КС) является аналогом ПМС1-1,0/22 и позволяет достигать амплитуд в 10 мкм, которые, в свою очередь, можно увеличить до 70 мкм с помощью рабочего инструмента различных конструкций. При подготовке ЛКМ достигаются амплитуды до 20 мкм, большие значения не рассматриваются по причине сильного нагрева ЛКМ, что снижает его характеристики.
В работе [4] описана конструкция инструмента для пневмоультразвукового распыления, где в качестве электроакустического преобразователя выступют пьезоэлектрические пластины. В самой работе марка пластин не указана, однако результаты применения данной конструкции показывают высокую эффективность ее применения, что позволяет говорить о целесообразности использования пьезокерамики для распыления с помощью ультразвука.
В работе [5] описано ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование (УППД), которое проводится перед азотированием. УППД проводилось на токарном станке ультразвуковым комплектом, состоящим из генератора УЗГ 02/22 и магнитострикционного преобразователя ПМС-063. Обработка осуществлялась сферическим индентором с радиусом закругления 5,0 мм на следующих режимах: мощность генератора 200 Вт; амплитуда колебания индентора 10 мкм; усилие прижима индентора 75 Н [5].
В работе [6] представлен расчет электрических параметров пакета УКС. Максимально допустимая электрическая мощность возбуждения разрабатываемого пакета УКС составила 3,9 кВт; величина тока подмагничивания – 7,26 А; эффективное значение полного тока – 8,12 А; амплитуда напряжения возбуждения – 744,4 В; амплитуды колебательных смещений на выходе с магнитострикционного преобразователя – 4,27 мкм; амплитуда колебательных смещений на конце волновода –
8,71 мкм. Для разработанной УКС с целью интенсификации газового азотирования выбран ультразвуковой генератор УЗГ-2-22, т. к. его технические характеристики отвечают необходимым условиям при решении поставленных задач. Авторами предполагается, что указанная связка «ультразвуковой генератор-колебательная система» позволяет за счет достигаемых параметров мощности и амплитуды достичь высоких результатов.
В работе [7] рассмотрены особенности переноса микрочастиц на поверхности LiNbO3 при возбуждении в пластине различных мод и взаимодействие пьезоэлектрического поля с микрочастицами с соответствующим влиянием на процесс их переноса вдоль поверхности LiNbO3. В эксперименте использовалась пластина ниобата лития толщиной среза 630 мкм. Для возбуждения УЗ-волн она размещалась на заземленном металлическом основании. На верхнюю грань пластины LiNbO3 наносился медный электрод шириной 1,0 мм. Приложение высокочастотного электрического напряжения V между электродами приводило к возбуждению в пластине УЗ-волн Лэмба. Исследования проводились на двух частотах,
f1 = 3,7 МГц и f2 = 5,2 МГц. Результаты показали эффективность метода для переноса микрочастиц.
Подбор универсального оборудования
Анализ источников показывает, что в различных технологических процессах создания функциональных покрытий используются различные комплекты ультразвукового оборудования, которые серьезно отличаются друг от друга [1, 5, 8].
Также анализ показывает, что основными параметрами обработки, как правило, указывается амплитуда колебаний, частота колебаний и мощность.
Главным параметром обработки в технологических процессах создания функциональных покрытий в работах [9, 10] является амплитуда колебаний. Ее оптимальное значение варьируется от 2,0…3,0 мкм до 25 мкм в зависимости от процесса. Однако значения амплитуды свыше 25 мкм не рассматриваются ввиду отсутствия такой необходимости. В связи с этим к ультразвуковому оборудованию предъявляется требование по обеспечению амплитуды в широком диапазоне от
2,0 до 25 мкм. Амплитуда колебаний определяется конструкцией колебательной системы и рабочего инструмента.
Два других фактора влияют на технологические процессы меньше, чем амплитуда. Частота колебаний может влиять на процесс, но она ограничивается применяемым оборудованием, поскольку каждая КС работает на своей резонансной частоте. Анализ существующего ультразвукового оборудования показал, что наиболее распространенной является резонансная частота 22 кГц. Это обуславливается наибольшей эффективностью колебательных систем, работающих на этой частоте одновременно с соответствием требованиям, предъявляемым к ультразвуковым установкам для работы в промышленности. Требуемая величина мощности обуславливается необходимостью передавать через колебательную систему необходимое количество энергии в технологическую среду. Для рассматриваемых технологических процессов мощность более 3,0…4,0 кВт является избыточной.
Учитывая вышеизложенное, в качестве рационального комплекта ультразвукового оборудования предлагается использовать УЗГ-2-22 и ПМС1-1.0/22. Такая комбинация позволяет эффективно провести операции предварительной подготовки поверхности перед нанесением функциональных покрытий, а также непосредственно наносить покрытие.
