Способ деформирования металлов и устройстводля ЕгО ОСущЕСТВлЕНия Советский патент 1981 года по МПК C22F3/02 B21J5/00 

Изобретение относится к области обработки металлов с изменением их структурного состояния, в частности без формоизменения. Известен способ деформирования металлов путем воздействия ультразву новым полем. Известно также устройство для реализации данного способа деформирования металлов, содержащее колебател ную систему, магнитострикционно-инду тивный четырехполюсник возбуждения и блок регистрации амплитудно-частотного спектра ультразвука с частотным детектором fl Известный способ деформирования, как и устройство для его реализации обладают ограниченными возможностями в обработке металлов с точки зрения степени деформации и скорости протекания процесса. Целью изобретения являются увеличение степени деформации и повышение скорости протекания процесса. для этого по предлагаемому способу воздействие ультразвуковым Полем на металл осуществляют, поместив его в охлаждающую среду и поддерживая температуру металла нагрева ультразвуком. Предлагаемое устройство для осуществления этого способа снабжено камерой охлаждения, а также электрической цепью автоматического регулирования, режима ультразвукового нагрева, содержащей источник опорного напряжения, интегратор, входной сумматор, масштабные усилители и выходной сумматор, при этом входной сумматор электрически связан с частотным детектором и источником опорного напряжения, а выходной сумматор - с четырехполюсником возбуждения. Осуществление значительных степеней деформации предлагаемым способом стало возможным благодаря повышению плотности тепловой мощности ультразвукового нагрева металла в результате более интенсивного отвода тепла в охлажда)ощую среду и использование управляемого установившегося режима нагрева, обеспечиваемого автоматическими средствами. Способ деформирования ультразвуком может быть реализован на пластичных моно- и поликристаллических материалах: железе, никеле, молибдене, конструкционных и нержавеющих сталях, жаропрочных сплавах и т.д.

Температурный интервал 500-1300°С обусловлен принципом целесообразности и необходимости при проведении процесса на всех видах металлических атериалов.

Ультразвуковой нагрев происходит за счет работы, совершаемой быстропеременным силовым полем на перемещение с определенной скоростью дислр аций. Так как дислокации движутся взад и вперед в циклах сжатия и растяжения реверсивно, то формоизменения тела не происходит. Но признаком протекания высокоскоростной пластической деформации является высокотемпературный эффект. Напряжение ультразвука является аналогом электрического напряжения, а поток дислокаций аналогом потока электронов.

При электронагреве измеряют величины электрического напряжения и тока, а при ультразвуковом нагреве механическое напряжение ультразвука и величины деформации {скорость,, количество, степень и др.). Мерой меканического напряжения ультразвука является величина сигнала амплитудного детектора колебательной системы, а мерой деформации - величина изменения сигнала частотного детектора. Последнюю можно связать со скоростью деформации-, количеством деформации, степенью и др.

Пример осуществления способа деформирования условия протекания процесса при обработке стержня из нержавеющей стали в жидком азоте, В этом случае сигнал амплитудного детектора ультразвукового нагревателя был равен знач еникз 0 , а частотного детектора Ё , плотность тепловой ощности в горячей зо,не соответственно составила q-t i- € . При удалении

камеры с азотом температура образца значительно повышается, для обеспечения ранее выбранной температуры необходимо уменьшить напряжение (амплитуду) ультразвука до значения что соответственно приводит к уменьшению сигнала частотного детектора д значения 3 . Наоборот, если в камеру залить воду, то цвет каления исчезнет. Для восстановления прежнего цвета каления образца в воде необходимо увеличить напряжение ультразвука (сигнал амплитудного детектора до значения Gy,f 3 , что соответствен приведет к увеличению сигнала частотного детектора до значенид б .

Пусть q. 100 кал/см сек и 0 500 кг/см, тогда б 8,4 При охлаждении водой q 200 кал/сек и (ъ 600 кг/см , поэтому 65 14 сек, скорость деформации увеличилась примерно в 1,7 раза. Соответственно и степень деформации на заданном отрезке времени увеличится в 1,7 раза. Следовательно, для повышения степени деформации на заданном отрезке времени (или для сокращения времени процесса при заданной степени деформации) выгодно помещать металл в охлаждающую среду и использовать автоматическую систему ретули- рования процесса деформирования.

Способ деформирования ультразвуком был опробован на пластичных моно- и поликристаллических материалах армко-железе, никеле, монокристаллах молибдена электронно-лучевой плавки, конструкционных сталях 20, 35, 45, ЗОХГСА, 17ГС, нержавеющих сталях 1Х18Н9Т, 1X13, Х16Н6, жаропрочных сплавах ЭИ437, ЭИ696М.

Результаты испытаний представлены в таблице.

Монокристаллжидкий

молибденаазот

Сталь 20,35,4$масло

Сталь ЗОХГСАвоздух

Сталь 17 ГСвоздух

Нержавеющая

сталь 1Х18Н9Т,

1X13, Х16Н6

Жаропрочные

сплавы ЭИ437,

ЭИ696И

деформация по2. Ю рядка 10

-3- 10 6-10

давлен.ультразвук. 503 кг/мм

3-10 .

. Частота 2150 мин ЗчЮ 22 кГц

10 мин 1 10

На чертеже изображена схема ультразвукового, устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит охлаждающую камеру 1,.которая установлена без жесткой акустической связи с ультразвуковой системой и заполнена охлаждающей средой (водой, маслом, жидким азотом и т.п.), четырехполюсник электромеханического возбуждения резонатора, образованный индуктивным детектором 2 колебаний, блоком 3 амплитудно-частотного преобразования сигнала датчика, электронным регулятором 4 возбуждающего напряжения, усилителем 5 напряжения и мощности, магнитострикционным пакетом 6 и блоком 7 регистрации амплитудно-частотного спектра колебаний с частотным детектором. Блок 7 соединен с цепью автоматического регулирования режима ультразвукового нагрева, работающей по принципу интегрирования сигнала рассогласования частоты и опорного напряжения. Эта цепь образована входным сумматором 8, источником 9 опорного напряжения, точным делителем 10 напряжения,масштабными усилителями 11 и 12, интегратором 13 и выходным сумматором 14, который связан с управляющим электродом-регулятора 4 в четырехполюснике возбуждения.

По схеме регулятор 4 представляет собой обычный ламповый или полупроводниковый каскад, коэффициент передачи напряжения которого зависит от потенциала ка управляющем электроде (аноде, сетке, базе и т.п.). Роль частотного детектора в блоке 7 выполняет узкополосный усилитель с расстроенным резонансным RLC-контуром или двухтактный симметричный частотный детектор мостового типа. RLC-параметры схем подбираются такими , чтобы a дплитyдa выходного сигнала почти линейно зависела от частоты в диапазоне ее девиации.

Деформируемое тело 15 соединяется с колебательной системой, а камера 1 заполняется охлаждающей средой. В системе возбуждаются собственные продольные колебания до наступления деформации и нагрева тела в области максимального, давления стоячей волны ультразвука, в момент выхода ультразвукового нагрева на установившийся режим при Зс1данной температуре включается цепь автоматического регулирования. Сигнал частотного детектора зависящий от скорости деформации и температуры тела, поступает на сумматор 8, где алгебраически суммиру-ется с опорным напряжением, подава-. емым от источника 9. Положительное или отрицательное напряжение рассогласования преобразуется по пропорциональному и интегральному законам усилителями 11 и 12 и интегратором 1 На выходе сумматора 14 вырабатывается управляющее напряжение. в первые моменты времени при появлении сигнала рассогласования схема работает через усилитель 12 как система пропорционального регулирования с большим быстродействием. В дальнейшем схема начинает работать как система интегрального регулирования, так как с течением времени начинает преобладать напряжение на выходе интегратора.

В итоге петля регулирования уста0навливает такую величину напряжения на магнитострикционном преобразователе, что скорость течения и температура горячей зоны тела будет соответствовать заданному опорным напряже5нием уровню,- Несмотря на возможные изменения сопротивления пластической деформации и другие эффекты при выбранных температурно-скоростных условиях деформирования. Уровень скорос0ти деформации и температура горячей зоны могут задаваться постоянными или плавно изменяющимися во времени с помощью блока воспроизведения временных функций опорного напряжения.

Источник опорного напряжения, масSштабные усилители, сумматоры и интегратор построены по известным схемам на базе операционных усилителей постоянного тока с большим коэффициеь том усиления, например на базе операDционных усилителей и блоков аналоговой вычислительной машины МН-7.

Воспроизведение временных функций опорного напряжения (линейных, экспоненциальных J синусоидальных, пилооб5разных и др.) осуществляется интеграторами, функциональными преобразователями и другими элементами, набиpaef/ HMK в нужных сочетаниях

.Величины сопротивления и конден0саторов на входе и в цепях обратной связи усилителей подбираются так, . чтобы обеспечилось требуемое качесiтво и устойчивость регулирования режима деформирования тела-.

Использование предлагаемого способа и устройства повышает скорости протекания процесса деформирования, увеличивает степени деформации обрабатываемых металлов (степень деформации достигает порядка ),

0 максимально сближает процесс нагрева и пластическую, деформацию и превращает их в практически единый физический процесс.

55

Формула изобретения

И поддерживая температуру металла нагрева ультразвуком.

источник опорного напряжения, интегратор, входной сумматор, масштабные усилители и выходной сумматор, при этом входной сумматор электрически связан с частотным детектором и источником опорного напряжения, а выходной сумматор - с четыр полюсником возбуждения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Журнал Теплофизика высоких температур, М., АН СССР, т.8. 1970, с.859-862.