автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей ультразвуковым пластическим деформированием

005009240

На правах рукописи

Семенова Юлия Станиславовна

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

Специальность: 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 0ЕЗ Ш

Барнаул - 2012

005009240

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет», г. Новосибирск

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Рахимянов Харис Магсуманович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Блюменштейн Валерий Юрьевич

кандидат технических наук, доцент Ятло Иван Иванович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» (г. Новосибирск)

Защита состоится 24 февраля 2012 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.01 при ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» (АлтГТУ) по адресу: 656038, Россия, г. Барнаул, пр. Ленина, 46

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Отзывы в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью организации просьба направлять по адресу: 656038, г.Барнаул, пр. Ленина, 46; факс (3852) 290-765; e-mail: yuoshevtsov@mail.ru

Автореферат разослан «¿2» января 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Методы поверхностного пластического деформирования (ППД) получили широкое применение в производстве благодаря обеспечению высоких эксплуатационных показателей деталей машин.

Среди прочих методов ППД перспективным является ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование (УЗПД), позволяющее управлять в широком диапазоне параметрами напряженно-дефомироваиного состояния, структурой и микрогеометрией поверхности благодаря механо-физическим особенностям обработки. Исследованию и внедрению данного метода в производство посвящены работы И.И. Муханова, В.Б. Асанова, А.И. Безнедельного, В.П. Гилеты, Ю.М. Голубева, Г.А.Исхаковой, Б.В. Морозова, Х.М. Рахимянова, В.И. Синдеева, Холопова Ю.В. и других авторов. По данным многочисленных исследований УЗПД применимо для широкого класса материалов от твердых сплавов до конструкционных сталей и цветных металлов. Однако, как отмечалось во многих работах, при обработке УЗПД поверхностей деталей, изготовленных из таких материалов, как незакаленные стали и цветные металлы, на поверхности возникает волнистость с шагом, отличным от подачи.

В литературе описаны отдельные попытки управления формированием волнистости путем изменения жесткости технологической системы, а также усовершенствованием характеристик ультразвуковой колебательной системы. При этом рассматривалось влияние отдельных режимных параметров обработки и жесткости обрабатываемых деталей на возникновение волнистости. Однако механизмы формирования данного вида неровностей, а также математические зависимости их геометрических параметров от режимов обработки недостаточно изучены, что не позволяет прогнозировать геометрическое состояние поверхности при УЗПД. В связи с этим исследование формирования геометрического состояния поверхности в условиях ультразвукового поверхностного пластического деформирования металлов и сплавов является актуальным.

Диссертационная работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011)» (Проект АВЦП 2.1.2/11449).

Цель работы - технологическое обеспечение геометрических параметров качества поверхности деталей ультразвуковым пластическим деформированием.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выявить механизм формирования волнистости при ультразвуковом пластическом деформировании материалов различной твердости.

2. Разработать математическую модель формирования волнистости с оценкой ее геометрических параметров.

3. Экспериментально подтвердить теоретические исследования по формированию волнистости поверхности после ультразвукового пластического деформирования.

4. Установить зависимости величины суммарного объема фрагментов микрорельефа от режимных параметров обработки для оценки трехмерных характеристик топографии поверхности.

5. Разработать технологические рекомендации по применению ультразвукового пластического деформирования для обработки деталей различных классов.

6. Провести промышленную апробацию результатов исследования.

Методы исследования. Представленные в работе результаты получены на основе экспериментальных исследований с использованием апробированных методик, приборов и установок для выявления особенностей формирования геометрического состояния поверхности после УЗПД. Анализ геометрического состояния поверхности проводился с применением комплекса изучения топографии ZIGO New View 7300, исходное структурное состояние и химический состав образцов исследовался с помощью оптического металлографического микроскопа Zeiss Axiovert 40 МАТ и оптического эмиссионного спектрометра ARL 3460 Quantris, соответственно. Теоретические исследования проведены с использованием математического моделирования.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивалась применением современного экспериментального оборудования, статистических методов оценки погрешности измерений, использованием взаимодополняющих экспериментальных и теоретических исследований. Сформулированные научные положения, результаты работы и выводы согласуются с общими закономерностями упругопластического контакта поверхностей и результатами исследований ведущих ученых и специалистов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Выявлен механизм образования волнистости поверхности, заключающийся в цикличном накоплении и сбросе гребня волны пластического течения металла в направлениях скорости и подачи в условиях дробного деформирования ультразвуковым инструментом материалов различной твердости.

2. Установлен критерий формирования волнистости, представляющий собой соотношения кинематических параметров обработки (подача, скорость) с диаметром пластического отпечатка, связанным с деформационными параметрами процесса (амплитуда и частота колебаний, статическое усилие, диаметр деформирующего элемента) с учетом твердости обрабатываемого материала.

3. Разработана математическая модель формирования волнистости при УЗПД, позволяющая определить значения ее геометрических параметров, таких как число заходов винтовой линии, шаг неровностей в направлениях V и S и угол их наклона.

4. Получены зависимости величины суммарного объема фрагментов микрорельефа от режимных параметров обработки.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1. Установлены границы режимных параметров, определяющие начало формирования волнистости на обрабатываемой поверхности при ультразвуковом пластическом деформировании металлических материалов различной твердости.

2. Предложен алгоритм выбора режимных параметров УЗПД, обеспечивающих формирование требуемого геометрического и механического состояния по-

верхностного слоя в зависимости от исходной шероховатости, статического усилия и исходной твердости обрабатываемого материала.

3. Результаты экспериментальных и теоретических исследований внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров по направлению 150900 «Конструкторско - технологическое обеспечение машиностроительных производств» и апробированы в технологическом процессе обработки класса деталей «Направляющая стабилизатора» на предприятии ОАО «Завод Труд», г. Новосибирск.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Механизм и критерий формирования волнистости при ультразвуковом пластическом деформировании металлических материалов с твердостью до НВ 5000 МПа.

2. Результаты математического моделирования формирования волнистости при ультразвуковом поверхностном пластическом деформировании.

3. Результаты экспериментальных исследований формирования волнистости при обработке материалов с различной твердостью при ультразвуковом пластическом деформировании.

4. Усовершенствованная математическая модель формирования микрогеометрии поверхности для оценки трехмерных характеристик получаемого микрорельефа.

5. Технологические рекомендации по использованию полученных зависимостей для обеспечения упрочняющего и чистового эффекта при обработке пластичных материалов ультразвуковым пластическим деформированием.

Личный вклад автора заключается в проведении анализа методов обработки ППД, применяемых для формирования необходимых эксплуатационных характеристик поверхностного слоя деталей машин, постановке и проведении экспериментальных исследований, обработке и анализе полученных результатов, непосредственном участии в разработке экспериментального оборудования, разработке математической модели формирования волнистости поверхности и усовершенствовании модели формирования микрорельефа поверхности при УЗПД.

Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на международной конференции «IFOST» (г. Новосибирск, 2008 г.), III Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды» (г. Бийск, 2008 г.), на всероссийской научно-технической конференции «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2009 г.), на всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы в технологии машиностроения» (г. Новосибирск, 2009 г.), на международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (г. Бийск, 2010 г.), на Второй Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (г. Кемерово, 2011 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Высокие, критические электро- и нанотехнологии» (г. Тула, 2011

г.), на научных семинарах кафедры «Технология машиностроения» Новосибирского государственного технического университета.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 14 печатных работах автора, из которых 4 работы опубликовано в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 10 - в сборниках международных и всероссийских научно-технических и научно-практических конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 104 наименований. Работа содержит 195 страниц основного текста, в том числе 92 рисунка и 13 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы обеспечения геометрических параметров качества поверхности при УЗПД материалов различной твердости. Изложены научная новизна, практическая ценность работы, а также методы исследования, обеспечивающие достоверность полученных результатов.

В первой главе проведен анализ методов ППД, применяемых в качестве отделочной операции при обработке деталей машин и инструментов. Показана взаимосвязь эксплуатационных характеристик поверхностного слоя с параметрами его геометрического, механического и физического состояния. Обоснована перспективность применения УЗПД благодаря механо-физическим особенностям обработки. Проведен анализ работ по применению УЗПД в качестве окончательной упрочняюще-чистовой обработки различных материалов. Благодаря анализу проведенных исследований выявлены особенности формирования топографии поверхности, связанные с обработкой таких материалов, как незакаленные стали. При УЗПД перечисленных материалов на поверхности возникает волнистость, причины появления которой, а также закономерности формирования ее геометрических параметров не исследовались. На основании проведенного анализа была сформулирована цель диссертационной работы, в соответствии с которой поставлены задачи исследования.

Во второй главе приведено описание методик подготовки и проведения исследований, обоснован выбор образцов и экспериментального оборудования. Для проведения экспериментальных исследований разработана установка для УЗПД на базе токарно-винторезного станка, позволяющая реализовать резкий отвод инструмента от образца с целью изучения формирования гребня волны, образуемого перед инструментом на необработанной части поверхности деталей при пластическом деформировании. В процессе разработки установки произведен расчет конического и цилиндрического концентраторов ультразвуковых колебаний для усиления и передачи механических колебаний от преобразователя к инструменту. Приведена методика определения амплитуды колебаний инструмента.

Для исследования структурного состояния материала образцов использованы современные методики оптической металлографии с применением инвертированного микроскопа отраженного света АхюуеП 40 МАТ. Химический состав

материала образцов исследовался при помощи оптического эмиссионного спектрометра ARL 3460 Quantris.

Для исследования упрочняющего эффекта при обработке материалов с различной исходной твердостью поверхностным пластическим деформированием применялась оценка комплексного показателя механического состояния поверхности измерением распределения микротвердости по поверхности и по глубине упрочненного слоя. Измерение микротвердости осуществлялось на приборе ПМТ-ЗМ вдавливанием четырехгранной пирамидки с нагрузками 50 и 100 г.

Изучение геометрического состояния обработанной поверхности осуществлялось на приборах Zigo New View 7300 и профилографе-профилометре модели 252 завода «Калибр».

В третьей главе представлены теоретические исследования по формированию геометрии поверхности при ультразвуковом пластическом деформировании.

Предложен механизм образования волнистости, согласно которому гребень волны формируется за счет сдвига наплыва (материала, вытесненного из очага деформации), образованного вокруг предыдущего отпечатка при взаимном перемещении инструмента и детали и последующего слияния с вновь образуемым наплывом при последующем ударе (рис. 1, а) в условиях дробного деформационного воздействия. При этом каждый последующий отпечаток будет находиться выше предыдущего на величину Ah¡ за счет изменения уровня поверхности деформируемого участка и упрочнения сдвигаемого материала.

Постепенно упрочняясь при сдвиге, материал все больше сопротивляется деформации, в результате чего наступает момент, когда инструмент перестает сдвигать сформированный впереди себя наплыв и начинает спускаться по нему до исходного уровня поверхности. Такой механизм формирования гребня волны обеспечивается за счет дробного воздействия ультразвукового инструмента на обрабатываемую поверхность и его способности отслеживать геометрию поверхности благодаря упругой схеме поджатая инструмента к детали.

Полностью закончив цикл формирования одного гребня волны, инструмент, перемещаясь вдоль витка при токарной схеме обработки, начинает формировать следующий гребень. Этот цикл продолжается в течение одного оборота детали. При переходе инструмента на следующий виток, инструмент контактирует уже не только с исходной поверхностью, но и с частью гребня, сформированного на предыдущем витке. В результате совокупный гребень волны пластического течения материала формируется как при перемещении инструмента вдоль витка (в направлении V), так и при переходе от витка к витку (в направлении S). Формирование совокупного гребня происходит за N отпечатков при движении инструмента в направлении скорости V и за п витков при перемещении инструмента в направлении подачи S (рис. 1, б).

единичные отпечатки

а б

Рис. 1. Накопление гребня волны пластического течения: а) накопление гребня волны на первых ударах инструмента; б) схематичное изображение совокупного гребня волны, накопленного за п витков

При моделировании процесса волнообразования были приняты следующие допущения: исходная перед обработкой поверхность считалась идеально гладкой; проскальзывание деформатора по поверхности за счет движения инструмента в направлении V не учитывалось; при моделировании формы единичного отпечатка рассматривался контакт сферической поверхности с плоскостью, а не цилиндрической поверхностью; обрабатываемая деталь считалась абсолютно жесткой; распределение механических свойств материала поверхностного слоя считалось равномерным.

Условием формирования волнистости является совокупное обеспечение максимально допустимых расстояний (1у и 15) между соседними отпечатками в направлениях V и Б. Ограничения по 1у и 18, выраженные через режимные параметры обработки V и Б, соответственно, представлены в виде системы следующих неравенств и представляют собой критерий формирования волн пластического течения:

с1..

V <

2-60-/ 10

(1)

где - диаметр отпечатка с учетом наплыва, мм; / - частота ультразвуковых колебаний инструмента, кГц; V - скорость вращения шпинделя, м/мин; Б - подача, мм/об.

Параметр выражен через режимные параметры обработки с учетом твердости обрабатываемого материала в виде зависимости от диаметра отпечатка без

учета наплыва «„„,„ (рис. 1, а), определенного в модели формирования микроре льефа, описанной в работах Рахимянова Х.М.

При обработке на режимах, обеспечивающих волнообразование, формирует ся волнистость с расположением совокупных гребней вдоль многозаходной вин товой линии, схематично представленный на рис. 2, 3.

Взаимное расположение гребней на соседних витках многозаходной спиральной линии зависит от угла смещения 5:

где Б - подача, мм/об; g - число витков, укладывающихся в единичный гребень; а - угол наклона гребней волн; 1У - расстояние между соседними отпечатками в направлении V, мм; N -число отпечатков, формирующих гребень волны в направлении V;

х = — (рис. 2), где АВ = .

Рис. 2. Формирование волнистости

Рис. 3. Топографическая схема поверхности с наложением волнистости на фрагменты микрорельефа

Геометрические параметры многозаходной спиральной линии зависят от числа циклов формирования единичного гребня волны (К+к) за один полный оборот детали, которое определяется выражением: 6-Ю" • /

К + к-

(3)

где пшп - число оборотов шпинделя, об/мин, к - дробная часть числа К+к, определяющая величину смещения одноименных точек соседних гребней (р) и угол наклона волн (а) (рис. 4) согласно выражениям:

к • /,,

-(1 -*)■/„

(при к < 0,5) (при к > 0,5)

(4)

агсх%

агс1§

п ■N ) 6-10" •/

_5

6-Ю4-/ к \ я-Л-п п-И

6-Ю4 •/

(при к < 0,5) (при к > 0,5)

В этом случае значения шагов волн (Ьц) и (Ь5) в направлениях V и 8, соответственно, будут определяться выражениями:

N.

(6)

Полученные зависимости (2) - (6) представляют собой математическую модель формирования волнистости и позволяют определять ее геометрические параметры при УЗПД в зависимости от режимов обработки.

При обработке на режимах, обеспечивающих отсутствие волнистости на поверхности чистовой эффект от УЗПД будет определяться формируемой микрогеометрией, основные параметры которой определены моделью формирования микрорельефа, описанной в работах Г.А. Исхаковой, Х.М. Рахимянова, В.П. Ги-леты.

Для оценки степени развитости формируемого микрорельефа данная модель была усовершенствована (рис. 4) путем применения трехмерного моделирования.

При расчете объема единичного фрагмента регулярного микрорельефа рассматривался интеграл, пределы интегрирования в котором являлись границами фрагмента, определяемыми в зависимости от режимных параметров обработки и глубины единичного отпечатка:

-X -у

V,

фрагм

*2 Уг г2=/й'

= |1 ск с1у с1х

(7)

Зависимости, позволяющие определять трехмерные характеристики микрорельефа, позволят управлять маслоемко-стью поверхности, а также рассчитывать контактные нагрузки для сопрягаемых поверхностей.

Экспериментальные исследования, описанные в четвертой главе, направлены на подтверждение адекватности математической модели формирования волнистости, а также на установление параметров, определение которых расчетным

Рис. 4. Единичный фрагмент микрорельефа

путем представляется сложной задачей. Так, для определения параметра, , влияющего на процесс волнообразования согласно предложенному критерию формирования волнистости, приводится описание экспериментального исследования по установлению параметров наплыва, образуемого вокруг единичного отпечатка при ударе инструмента по поверхности. Экспериментально установлена

зависимость диаметра ^т от диаметра ^отп .

¿=3,5991-4

0,5476 отп ,

(8)

где иотп - диаметр отпечатка без учета наплыва, мм, определенный Х.М. Ра-химяновым в модели формирования микрогеометрии поверхности при УЗПД в зависимости от режимных параметров обработки с учетом твердости обрабатываемого материала.

Увеличенное изображение волнистости с параметрами, определяемыми при проверке на адекватность полученных математических зависимостей, представлено на рис. 5. Расхождение экспериментальных и расчетных значений геометрических параметров не превышает 15%, что подтверждает адекватность установленных зависимостей.

Исследование формирования волнистости при обработке плоских поверхностей дисков по токарной схеме показало, что увеличение скорости обработки приводит к изменению деформационных условий, что согласно установленному критерию формирования Рис. 5. Геометрические параметры волнистости поверх- волнистости приво-ности после УЗПД детали из пластичного материала дит к исчезновению 2А=25мкм, 6=22,4 кГц, Рст=15 кг, п=936 об/мин, волн на периферии 8=0,065 мм/об, Бдет= 41мм. Диска <РИС- 6)-

Профилограмма, полученная на про-филографе-профило-метре модели 252 завода «Калибр» (рис. 7) подтверждает справедливость предположений о механизме накопления гребня волны и предложенного критерия формирования волн пластического течения.

Так, при обработке поверхности диска при увеличении скорости за счет увеличения обрабатываемого диаметра от 60 до 120 мм волны действительно постепенно уменьшаются, а затем исчезают.

; центр диска ^ ■ " ; периферия диска

В пятой главе представлены технологические рекомендации по применению УЗПД для обработки материалов различной твердости, определена область режимных параметров обработки, обеспечивающих отсутствие волнистости на поверхности, дана оценка упрочняющего эффекта при формировании гладких и волнообразных поверхностей.

На рис. 8, а, б, в, г представлены области режимных параметров, ограничивающих появление волнистости.

ганд

■■■

131 -

1||Ш

ник

Рис. 6. Волнистость на поверхности диска

а

0,095 0,085

ю

I 0,075 и 0,065 0,055 0,045

50 100 150 200 250 F cr, Н в г

Рис. 8. Области режимных параметров, ограничивающих появление волнистости: а - зависимость drai от твердости материала, Fct=100 Н, Dc=10 мм,/=20 кГц; б - зависимость скорости V от диаметра деформирующего инструмента,

Fct=100 Н, НВ 2000 МПа,/=20 кГц; в - зависимость подачи S от твердости обрабатываемого материала, Fct =100

Н, Dc=10 мм,/=20 кГц; г - зависимость подачи S от статического усилия при УЗПД, НВ 2000МПа, Dc=10 мм,/=20 кГц

Показано, что при обработке материалов с твердостью НВ 5000 МПа и выше диаметр отпечатка с1пл становится настолько мал, что применяемые при обработке кинематические параметры будут гарантированно находиться в области, исключающей формирование волнистости. Это объясняет отсутствие волн при обработке закаленных сталей и их появление при обработке пластичных материалов.

Упрочняющий эффект от обработки УЗПД оценивался измерением микротвердости по обрабатываемой поверхности и по глубине упрочненного слоя. В ходе эксперимента выяснилось, что при формировании волн пластического течения упрочняющий эффект по поверхности распределяется неравномерно, о чем свидетельствует график распределения микротвердости по поверхности (рис. 9).

Границы областей формиробания Ошниатст

500 1500 2500 3500 4500 НВ, МПа

Рис. 9. Распределение микротвердости по поверхности образца

Обработка на режимах, исключающих формирование волнистости, приводит к снижению упрочняющего эффекта в результате изменения условий деформирования. Для повышения упрочняющего эффекта предложено применение многопроходной обработки (рис. 10).

Показано, что для обеспечения требуемого уровня упрочнения применение более четырех проходов нецелесообразно, поскольку дополнительные проходы снижают производительность и приводят к переупрочнению материала поверхностного слоя.

100 110 120 130 140 150 160 170 ISO 190 200 Fct, Н —♦—1 проход -#—2 прохода —¿¡—3 прохода -в—4 прохода

Рис. 10. Влияние количества проходов на микротвердость при УЗПД, сталь 45 (НВ 2000 МПа), 2А=25 мкм, {=22.4 кГц, п=370 об/мин, Ос=8 мм

В качестве технологических рекомендаций по применению УЗПД предложен алгоритм выбора режимных параметров обработки, обеспечивающих формирование требуемого геометрического и механического состояния поверхностного слоя в зависимости от исходной шероховатости, и исходной твердости обрабатываемого материала при заданных амплитуде и частоте ультразвуковых колебаний и диаметре деформирующего инструмента (рис.11).

С'^Начало

режимы А. !.0С, /

( начало цикла ^

расчет т ^ап тп

отсутствие ^¡амистост?-

расчет N. /л< расчет а,.

/ 68еЗите /_ / треста цгал а / расчет ё„я V -А г Л гтох "120 Л -ттаг ~ 10 '

1

нет

расчет ёт

г

"7/7 ^

рст'=рст*йР

Рис. 11. Алгоритм назначения режимов УЗПД для обеспечения требуемого состояния поверхностного слоя

Разработанные технологические рекомендации, а также установленный критерий формирования волнистости нашли применение при обработке класса деталей «направляющая стабилизатора» на ОАО «Завод Труд», г.Новосибирск.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выявлен механизм формирования волнистости при УЗПД материалов с твердостью до НВ 5000 МПа, заключающийся в цикличном накоплении и сбросе гребня волны в направлениях скорости и подачи в условиях дробного деформирования ультразвуковым инструментом.

2. Установлен критерий формирования волнистости, представляющий собой соотношения кинематических параметров обработки (подача, скорость) с диаметром пластического отпечатка, связанным с деформационными параметрами процесса (амплитуда и частота колебаний, статическое усилие, диаметр деформирующего элемента) с учетом твердости обрабатываемого материала.

3. Разработана математическая модель формирования волнистости при УЗПД, позволяющая определить значения его геометрических параметров. Дано математическое описание его геометрических параметров, таких как число заходов винтовой линии, шаг волн в направлениях V и 8 и угол их наклона. Проведение экспериментальных исследований подтвердило адекватность полученных зависимостей при расхождении результатов не более чем на 15 %.

4. Получены зависимости величины суммарного объема фрагментов микрорельефа от режимных параметров обработки.

5. Экспериментально установлено, что УЗПД на режимах, гарантирующих формирование волнистости, приводит к неравномерности распределения упрочняющего эффекта по обработанной поверхности. При обработке материалов с твердостью НВ 2000 МПа разброс значений прироста микротвердости на вершинах волн и во впадинах наибольший и достигает 50%. При увеличении твердости обработанного материала разброс значений прироста микротвердости уменьшается и при обработке материалов с твердостью НВ 5000 МПа достигает 20-25%.

6. Предложен алгоритм выбора режимных параметров УЗПД, обеспечивающих формирование требуемого геометрического и механического состояния поверхностного слоя в зависимости от исходной шероховатости и твердости обрабатываемого материала.

7. Установлено, что УЗПД с режимными параметрами, исключающими формирование волнистости, приводит к снижению упрочняющего эффекта. Для обеспечения требуемого уровня упрочнения рекомендовано применение многопроходной обработки. Показано, что увеличение числа проходов свыше четырех нецелесообразно вследствие риска разупрочнения при достижении максимальной степени упрочнения и значительного снижения производительности обработки.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Рахимянов X. М. Моделирование процесса формирования регулярного микрорельефа при ультразвуковом пластическом деформировании / X. М. Рахимянов, Ю. С. Семенова // Упрочняющие технологии и покрытия. М.: Машиностроение. 2010. - № 2. С. 3-9

2. Рахимянов X. М. Формирование морфологии поверхности процессе ультразвукового пластического деформирования деталей машин / X. М. Рахимянов,

Ю. С. Семенова // Упрочняющие технологии и покрытия М.: Машиностроение, 2010. №10 - С. 20-23.

3. Рахимянов X. М. Прогнозирование геометрического состояния поверхности цилиндрических деталей из стали 45 при ультразвуковом поверхностном пластическом деформировании / X. М. Рахимянов, Ю. С. Семенова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты, материаловедение). - 2011. №3 (52).-С. 11-17.

4. Рахимянов X. М. Повышение качества поверхностного слоя деталей с покрытиями малой толщины из нанокристаллических порошков ультразвуковым пластическим деформированием / X. М. Рахимянов, Ю. С. Семенова, М. А. Третьяков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты, материаловедение). - 2011. №3 (52). - С. 18-22.

Публикации в других изданиях

5. Рахимянов X. М. Анализ модели формирования регулярного микрорельефа поверхности при ультразвуковом пластическом деформировании / X. М. Рахимянов, Ю. С. Семенова // III Всероссийская научно-практическая конференция "Управление качеством образования, продукции и окружающей среды". Барнаул, Изд-во АлтГТУ, 2008. - С. 135-139

6. Rakhimyanov Kh Surface preparation of machine parts and instruments by ultrasonic impact treatment before coating / Kh Rakhimyanov, Ju Nikitin, Ju Semyono-va // The Third International Forum on Strategic Technologies, june 23-29, 2008. Novosibirsk-Tomsk, Russia p.108-114

7. Рахимянов X. M. Подготовка поверхности подложки ультразвуковым пластическим деформированием перед нанесением покрытий / X. М. Рахимянов, Ю. С. Семенова // Современные проблемы в технологии машиностроения: Всероссийская научно-практическая конференция, посвященная 100-летию со дня рождения профессора Муханова Ивана Ивановича: сборник трудов. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. - С. 276 - 278.

8. Рахимянов X. М. Применение ультразвукового пластического деформирования для создания маслоудерживающего микрорельефа на обрабатываемой поверхности / X. М. Рахимянов, Ю, С. Семенова, М. А. Третьяков // Современные проблемы в технологии машиностроения: Всероссийская научно-практическая конференция, посвященная 100-летию со дня рождения профессора Муханова Ивана Ивановича: сборник трудов. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. - С. 279 -282.

9. Рахимянов X. М. Установка для ультразвукового пластического деформирования по токарной схеме / X. М. Рахимянов, Ю. С. Семенова, М. А. Третьяков // Наука. Технологии. Инновации //Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ми частях. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. Часть 3. _ С. 44-46.

10. Рахимянов X. М. Исследование процессов волнообразования при обработке металлов и сплавов ультразвуковым пластическим деформированием / X. М. Рахимянов, Ю. С. Семенова // Инновации в машиностроении: материалы I Международной научно-практической конференции 7-9 октября 2010 / Алт. гос.

техн. ун-т им. И.И. Ползунова, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. -С. 103-105.

11. Рахимянов X. М. Повышение качества поверхностного слоя деталей с покрытиями ультразвуковым пластическим деформированием / X. М. Рахимянов, Ю. С. Семенова, М. А. Третьяков // Механики XXI веку. X Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием: сборник докладов. -Братск: ГОУ ВПО "БрГУ", 2011. - С. 83 - 85.

12. Семенова Ю. С. Особенности формирования геометрии поверхности при ультразвуковом поверхностном деформировании пластичных материалов / Ю. С. Семенова, А. С. Еремина, М. А. Третьяков // Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе: материалы 9-й Всеросийской научно-практической конференции 16 марта 2011. Новосибирск, Изд-во НГТУ 2011. - С. 82-85.

13. Рахимянов X. М. Влияние условий обработки при ультразвуковом деформировании пластичных материалов на стабильность формирования макрогеометрии поверхности / X. М. Рахимянов, Ю. С. Семенова П Инновации в машиностроении: сборник трудов 2-ой Международной научно-практической конференции /под ред. В.Ю. Блюменштейна. - Кемерово: КузГТУ, 2011. - С. 419424.

14. Рахимянов X. М. Механизм формирования волнообразного макрорельефа поверхности при обработке ультразвуковым пластическим деформированием / X. М. Рахимянов, Ю. С. Семенова // «Высокие, критические электро- и нанотехно-логии - 2011» // Труды Всероссийской научно-технической конференции. Тула, 26 октября 2011 г. - Тула: ТулГУ, 2011. - С. 50-60.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного Технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, тел./факс: (383) 346-08-57 формат 60x84 1\16, объем 1.25 пл., тираж 100 экз. заказ № 213подписано в печать 19.01.12 г.

61 12-5/1915

Федеральное государственное оюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

На правах рукописи

Семенова Юлия Станиславовна

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Рахимянов Харис Магсуманович

Барнаул 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение......................................................................................................................................5

ГЛАВА 1. Обеспечение качества поверхностного слоя деталей машин при ППД... 12 1.1. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей машин при обработке деталей методами ППД..............................................................16

1.1.1. Износостойкость поверхности...................................................................................16

1.1.2. Сопротивление схватыванию материала.................................................................17

1.1.3. Коррозионная стойкость поверхности.....................................................................18

1.1.4. Сопротивление усталости...........................................................................................20

1.1.5. Контактно- усталостная выносливость....................................................................21

1.2 Формирование параметров состояния поверхностного слоя..............................22

1.2.1. Роль геометрии поверхности в формировании свойств деталей машин.........23

1.2.1. Влияние напряженно - деформированного состояния и структуры поверхностного слоя на эксплуатационные характеристики деталей машин...........26

1.2.2. Управление состоянием поверхности при обработке методами ППД..........29

1.2.3.1. Алмазное выглаживание.......................................................................................30

1.2.3.2. Виброобкатывание и вибровыглаживание........................................................31

1.2.3.3. Обкатывание шаром или роликом......................................................................32

1.2.3.4. Дробеструйная обработка.....................................................................................33

1.2.3.5. Ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование.................34

1.3. Повышение эксплуатационных характеристик поверхностного слоя ультразвуковым поверхностным пластическим деформированием.........................35

1.3.1. Современное состояние вопроса применения ультразвукового поверхностного пластического деформирования при обработке деталей машин 36

1.3.2. Особенности применения метода ультразвукового поверхностного деформирования при обработке пластичных материалов.............................................42

Выводы по 1 главе.............................................. ...................................................................44

2. Технологическое и методическое оснащение исследований.....................................47

2.1. Установка для ультразвукового пластического деформирования.....................47

2.2. Измерение амплитуды ультразвуковых колебаний инструмента......................55

2.3. Приспособление для резкого отвода ультразвукового инструмента от обрабатываемой поверхности............................................................................................57

2.4. Подготовка образцов для исследований..................................................................60

2.5 Анализ состава и исходной структуры материала образцов методом оптической металлографии................................................................................................61

2.6. Получение микрошлифов для анализа структуры материала.............................63

2.7. Методика определения микротвердости поверхности образцов........................65

2.8. Методы изучения топографии поверхности...........................................................67

2.8.1. Профилограф-профилометр модели 252.................................................................67

2.8.2. Комплекс изучения топографии поверхности ZIGO New View 7300...............69

Выводы по 2 главе................................................................................................................70

3. Теоретическое исследование формирования геометрии поверхности при ультразвуковом пластическом деформировании..............................................................71

3.1 Параметры геометрического состояния поверхности...........................................72

3.2 Формирование геометрии поверхности по масштабным уровням при

ультразвуковом пластическом деформировании..........................................................73

3.3. Деформационные процессы, влияющие на формирование геометрии поверхности при ППД.........................................................................................................75

3.4 Формирование волнистости при УЗПД....................................................................78

3.4.1 Выявление закономерностей формирования волн в процессе ультразвуковой обработки..................................................................................................................................79

3.4.2 Деформационная модель пластического волнообразования...............................82

3.4.3. Математическое описание формирования волнистости при пластическом волнообразовании...................................................................................................................86

3.4.4. Анализ модели процесса волнообразования при ультразвуковом пластическом деформировании......................................................................................................................98

3.5 Моделирование формирования микрорельефа поверхности.............................103

3.5.1 Совершенствование модели формирования микрорельефа поверхности при УЗПД........................................................................................................................................Ю4

3.5.2 Исследование влияния режимов обработки на формирование геометрии

рельефа поверхности при УЗПД........................................................................................111

Выводы по 3 главе..............................................................................................................116

4. Экспериментальное исследование формирования геометрического состояния поверхностного слоя деталей в условиях ультразвукового пластического деформирования.....................................................................................................................118

4.1. Определение геометрических параметров пластического отпечатка индентора и накопленного гребня волны.........................................................................................118

4.1.1. Формирование единичного пластического отпечатка........................................118

4.1.2. Формирование накопленного совокупного гребня волны................................127

4.2. Формирование волн пластического течения на обрабатываемой поверхности ................................................................................................................................................130

4.2.1. Экспериментальное подтверждение результатов моделирования...................131

4.2.2. Влияние стабильности частотных характеристик ультразвукового генератора и жесткости технологической системы на формирование волнистости...................138

4.3. Формирование микрорельефа поверхности..........................................................149

Выводы по 4 главе..............................................................................................................156

5. Разработка технологических рекомендаций по применению УЗПД при обработке деталей из пластичных материалов....................................................................................158

5.1 Исследование областей режимных параметров УЗПД пластичных

материалов...........................................................................................................................158

5.2. Распределение микротвердости в поверхностном слое при УЗПД.................163

5.3 Износостойкость поверхности после УЗПД..........................................................169

5.3 Обеспечение формирования полностью нового регулярного микрорельефа 171

5.4 Промышленная апробация результатов исследования на примере технологического процесса обработки детали «направляющая стабилизатора». 175 Выводы по 5 главе..............................................................................................................180

Основные результаты и выводы.................................... .....................................................181

Литература...............................................................................................................................183

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития техники все более актуальной становится задача разработки изделий машиностроения с качественно новыми свойствами, что достигается за счет придания специфических свойств поверхности детали и благоприятных физико-механических характеристик материала ее сердцевины. Поверхность и поверхностный слой изделия испытывают контактные нагрузки, что во многом определяет эксплуатационные свойства деталей машин, такие как износо- и коррозионную стойкость, контактную выносливость и др. [1-4]. При этом сердцевина детали должна обеспечивать конструктивную прочность изделия в целом.

В связи с этим при конструировании и изготовлении изделий необходимо уделять внимание формированию благоприятных физико-механических характеристик материала и геометрического состояния поверхности. Для достижения заданной цели в современных технологических процессах существуют различные методы модификации поверхностного слоя. К ним относятся: химические и химико-термические, термические, механические методы, нанесение различного рода покрытий.

Анализ методов модификации поверхностного слоя [4-8] показал перспективность применения методов поверхностного пластического деформирования (ППД) в технологических процессах получения деталей машин. К преимуществам данных методов следует отнести управляемость процессом, формирование сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое, относительно низкую себестоимость обработки, малые затраты энергетических ресурсов. Отсутствие вредных факторов при обработке позволяет говорить об экологичности процессов ППД. Особенно актуально поверхностное пластическое деформирование для деталей из цветных металлов и сплавов, а также нержавеющих сталей аустенитного класса, когда термическое упрочнение невозможно.

Среди прочих методов ППД особое место занимает ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование (УЗПД). Благодаря малому статиче-

скому усилию УЗПД позволяет обрабатывать нежесткие, тонкостенные детали, а также детали из хрупких материалов. Применение различных режимов обработки позволяет варьировать в широком диапазоне такие параметры поверхностного слоя, как топография поверхности, напряженно-деформированное состояние, поверхностная твердость и др. Все эти параметры оказывают значительное влияние на эксплуатационные свойства поверхности, однако среди них следует выделить геометрическое состояние. Исследованию его влияния на большинство эксплуатационных свойств посвящено большое количество работ (4-25).

Формированием микрогеометрии поверхности при ультразвуковом пластическом деформировании занимались Муханов И.И., Исхакова Г.А., Рахимянов Х.М., Синдеев В. И., Асанов В.Б., Безнедельный А.И., Гилета В.П. и др. Благодаря этим исследованиям были получены модели формирования микрорельефа, описаны условия образования определенной формы его фрагментов, получения регулярного микрорельефа. Однако, в данных работах рассматривается проекция реальных отпечатков, имеющих объем на прилегающую плоскость, что не позволяет оценить развитость получаемого рельефа, его маслоемкость и другие характеристики. Таким образом, существующие модели требуют некоторой доработки.

Кроме того, в работах по исследованию влияния ультразвуковой обработки на геометрическое состояние поверхности встречается информация о появлении волнистости при обработке некоторых материалов. К таким материалам относятся незакаленные стали, нержавеющие стали аустенитного класса, цветные металлы и сплавы. Изучение процесса волнообразования при УЗПД указанных материалов недостаточно полно описано в литературе, что не позволяет управлять этими процессами. Таким образом, исследование процессов формирования геометрического состояния поверхностей деталей при УЗПД представляется весьма актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (20092011)» (Проект АВЦП 2.1.2/11449).

Цель работы - технологическое обеспечение геометрических параметров качества поверхности деталей ультразвуковым пластическим деформированием.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выявить механизм формирования волнистости при ультразвуковом пластическом деформировании материалов различной твердости.

2. Разработать математическую модель формирования волнистости с оценкой ее геометрических параметров.

3. Экспериментально подтвердить теоретические исследования по формированию волнистости поверхности после ультразвукового пластического деформирования.

4. Установить зависимости величины суммарного объема фрагментов микрорельефа от режимных параметров обработки для оценки трехмерных характеристик топографии поверхности.

5. Разработать технологические рекомендации по применению ультразвукового пластического деформирования для обработки деталей различных классов.

6. Провести промышленную апробацию результатов исследования.

Научная новизна работы определяется следующими полученными результатами:

1. Выявлен механизм образования волнистости поверхности, заключающийся в цикличном накоплении и сбросе гребня волны пластического течения металла в направлениях скорости и подачи в условиях дробного деформирования ультразвуковым инструментом материалов различной твердости.

2.Установлен критерий формирования волнистости, представляющий собой соотношения кинематических параметров обработки (подача, скорость) с диаметром пластического отпечатка, связанным с деформационными параметрами

процесса (амплитуда и частота колебаний, статическое усилие, диаметр деформирующего элемента) с учетом твердости обрабатываемого материала.

3. Разработана математическая модель формирования волнистости при УЗПД, позволяющая определить значения ее геометрических параметров, таких как число заходов винтовой линии, шаг неровностей в направлениях V и Б и угол их наклона.

4. Получены зависимости величины суммарного объема фрагментов микрорельефа от режимных параметров обработки.

Практическая значимость работы:

1. Установлены границы режимных параметров, определяющие начало формирования волнистости на обрабатываемой поверхности при ультразвуковом пластическом деформировании металлических материалов различной твердости.

2. Предложен алгоритм выбора режимных параметров УЗПД, обеспечивающих формирование требуемого геометрического и механического состояния поверхностного слоя в зависимости от исходной шероховатости, статического усилия и исходной твердости обрабатываемого материала.

3. Результаты экспериментальных и теоретических исследований внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров по направлению 150900 «Конструкторско - технологическое обеспечение машиностроительных производств» и апробированы в технологическом процессе обработки класса деталей «Направляющая стабилизатора» на предприятии ОАО «Завод Труд», г. Новосибирск.

Личный вклад автора заключается в проведении анализа методов обработки ППД, применяемых для формирования необходимых эксплуатационных характеристик поверхностного слоя деталей машин, постановке и проведении экспериментальных исследований, обработке и анализе полученных результатов, непосредственном участии в разработке экспериментального оборудования, разработке математической модели формирования волнистости и усовершенствовании модели формирования микрорельефа поверхности при УЗПД.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается применением современного экспериментального оборудования, статистических методов оценки погрешности измерений, использованием взаимодополняющих экспериментальных и теоретических исследований, проведением математического моделирования процесса волнообразования. Сформулированные научные положения, результаты работы и выводы согласуются с общими закономерностями упругопластического контакта поверхностей, основами ультразвукового пластического деформирования и результатами исследований ведущих ученых и специалистов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Механизм и критерий формирования волнистости при ультразвуковом пластическом деформировании материалов с твердостью до НВ 5000 МПа.

2. Результаты математического моделирования формирования волнистости при ультразвуковом поверхностном пластическом деформировании.

3. Результаты экспериментальных исследований формирования волнистости при обработке материалов с различной твердостью при ультразвуковом пластическом деформировании.

4. Усовершенствование математической модели формирования микрогеометрии поверхности для оценки трехмерных характеристик получаемого микрорельефа.

5. Технологические рекомендации по использованию установленных зависимостей для обеспечения упрочняющего и чистового эффекта при обработке пластичных материалов ультразвуковым пластическим деформированием.

Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на международной конференции «ШОБТ» (г. Новосибирск, 2008 г.), III Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды» (г. Бийск, 20