автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Контроль качества поверхности металлов, обработанных ультразвуком

^--

ПАЛАЕВ АЛЕКСАНДР ГРИГОРЬЕВИЧ

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ, ОБРАБОТАННЫХ УЛЬТРАЗВУКОМ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 МАМ 2012

Санкт-Петербург - 2012

005043456

005043456

ПАЛАЕВ АЛЕКСАНДР ГРИГОРЬЕВИЧ

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ, ОБРАБОТАННЫХ УЛЬТРАЗВУКОМ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов

и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2012

Работа выполнена в Северо - Западном государственном заочном техническом университете на кафедре приборов контроля и систем экологической

безопасности

Научный руководитель

заслуженный деятель науки РФ, Потапов

доктор технических наук, профессор Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: Харазов

доктор технических наук, профессор, Виктор Григорьевич

Санкт-Петербургский государственный

технологический институт (технический университет), профессор кафедры автоматизации процессов химической промышленности

кандидат технических наук, профессор, Волков

Московский государственный технический Станислав Степанович

университет им. Н.Э Баумана, профессор кафедры сварки и диагностики

Ведущая организация: ФГУП ВНИИ токов высокой частоты им. В.П. Вологдина

Защита состоится 24 мая 2012 г. в 13.30 ауд.62 на заседании диссертационного совета Д 212.230.03 Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), по адресу: 190013, г. Санкт-Петербург Московский проспект, д. 26. '

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета).

Автореферат разослан 23 апреля 2012 г.

Ученый секретарь Халимон

диссертационного совета Виктория Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В современных условиях качество выпускаемой продукции выступает важным мерилом экономических успехов любого предприятия, и даже государства. В условиях рыночной экономики именно с резким повышением качества производимой продукции связана возможность возрождения отечественной промышленности, а тем более выход отечественных товаропроизводителей на мировой рынок. Контроль качества продукции является составной частью производственного процесса. Поэтому огромное значение имеет разработка методов и приборов контроля состояния материалов и изделий, получаемых с помощью различных технологий. В свою очередь главным критерием качества технологий являются методы контроля различных способов воздействий для получения качественных изделий, соответствующих

эксплуатационным требованиям.

Долговечность работы машин и приборов напрямую связана с качеством поверхностного слоя деталей, которое формируется в основном на финишных операциях механической обработки. Традиционные методы финишной обработки шлифования, полирования и притирки не всегда обеспечивают оптимальное качество поверхностного слоя. При использовании абразивного материала его частицы внедряются в обрабатываемую поверхность, происходит шаржирование поверхности. После шлифования на поверхности изделий остаются следы абразивных зерен, прижоги и микротрещины, которые не устраняются последующим абразивным полированием. Эти дефекты поверхности являются концентраторами напряжений и с них начинается разрушение поверхностного слоя деталей при эксплуатации, что снижает надежность машин и приборов.

Ряд недостатков, присущих традиционным методам удается исключить заменой такими методами поверхностного пластического деформирования (ППД) как алмазное выглаживание, обкатка шаром, роликом, дорнованием и др. При обработке методом поверхностного пластического деформирования получается упрочнённая поверхность с малой шероховатостью. Однако по своему характеру воздействия на поверхностный слой они являются статическими, сопровождающиеся большими нагрузками на инструмент и на деталь и, как следствие, большим трением, а отсюда относительно невысоким качеством поверхности. Решению данной задачи посвящены работы известных ученых, среди которых проф. А.И. Марков, проф. И.И. Муханов, проф. Н.П. Алёшин и др

Новыми наукоемкими технологическими методами обработки являются методы: отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием, электроэрозионная, электроимпульсная, электроннолучевая, светолучевая, ультразвуковая, лазерная, магнитная, химическая и др.

Вышеперечисленным насущным требованиям всецело отвечает экологичный, наукоёмкий и высокоэффективный способ ультразвуковой обработки металлов. Метод пластического деформирования с наложением ультразвуковых колебаний на инструмент позволяет получать более

качественную обработку поверхности сразу по нескольким параметрам с меньшими затратами.

Поэтому очевидна актуальность проблемы повышения износостойкости деталей, а значит разработки методики ультразвуковой финишной обработки и контроля качества, позволяющих получать поверхность, улучшенную сразу по трём основным параметрам качества: шероховатости, упрочнению и остаточным внутренним напряжениям.

Целью диссертационной работы является повышение качества изделий за счёт управляемой ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки (УЗУФО), с целью повышения надёжности и срока службы приборов машин и механизмов.

В соответствии с целью были сформулированы основные задачи исследования:

1. Разработка методов и средств контроля влияния различных параметров ультразвуковой обработки поверхности металла, установление их величин и взаимосвязи для получения малой шероховатости и максимального упрочнения обработанной поверхности.

2. Разработка методики и устройства для управляемой ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки путем автоподстройки частоты, обеспечивающей обработку поверхности металла на различных режимах.

3. Разработка методики контроля амплитуды ультразвуковых механических колебаний инструмента на холостом режиме и при различных усилиях давления на работающий инструмент.

4. Разработка ультразвукового пьезокерамического преобразователя и колебательной системы для проведения ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов и контроля качества.

5. Разработка методов и средств контроля и оценки изменения шероховатости и поверхностной микротвёрдости в процессе ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки с использованием профилографа и микротвердомера.

Достоверность результатов обеспечивается использованием современных технических средств и методов исследования, воспроизводимостью результатов экспериментов, сходимостью результатов расчёта с экспериментальными, повышением показателей качества обработки.

Научной новизной работы являются: - методика контроля изменения шероховатости поверхности и повышения поверхностной микротвёрдости в процессе ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки;

- методика и установка для контроля амплитуды ультразвуковых механических колебаний инструмента на холостом режиме и при различных усилиях давления на работающий инструмент и величины давления индентора на обрабатываемую поверхность;

- методика контроля и технология обработки поверхности металла отличающиеся от известных тем, что контролируемые параметры используются для управления процессом ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки путем автоподстройки частоты, регулирования усилия давления индентора и амплитуды колебаний рабочего органа;

- установленная зависимость шероховатости и упрочнения поверхности от величины амплитуды механических колебаний инструмента, определен диапазон значений амплитуды, обеспечивающей высокое качество обработки поверхности металла.

Методы исследования:

Диссертационная работа выполнена на основе комплексных аналитических и экспериментальных исследований. Аналитические исследования проводились на современных знаниях в области измерения шероховатости и упрочнения поверхности при различных способах финишной обработки металлов.

Выдвинутые теоретические положения подвергались анализу и сопоставлению с экспериментальными результатами, обработка данных проводилась на ЭВМ с использованием статистических методов и программы «Статистика».

Практическая ценность результатов:

Практическую ценность диссертационной работы представляют результаты исследований:

Методика и устройство управляемой ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки, обеспечивающих проведение обработки на различных режимах, позволила обрабатывать детали из любых металлов и их сплавов. Внедрена в ООО «НПФ «Мехкомплектация», С-Петербург для обработки и контроля качества посадочных шеек валов, пальцев, осей;

- Ультразвуковой преобразователь, отличающийся от известных тем, что способен обеспечить широкий спектр выходных параметров ультразвукового воздействия и их контроль, в отличие от ранее применяемых магнитострикционных преобразователей (Патент РФ № 94176);

- Определённые в процессе исследований, форма и размер наконечника позволяют производить обработку на малых усилиях давления. Внедрена на завод «Спецэлектромагнит», Комсомольск, Ивановской обл. ультразвуковая упрочняюще-финишная обработка тонкостенной детали типа «гильза»;

Разработанные ультразвуковой преобразователь и ультразвуковая колебательная система позволяют производить ультразвуковую упрочняюще-финишную обработку различных металлов и их контроль, используются практически во всех внедрённых методиках и устройствах;

- Методика входного и выходного контроля шероховатости и поверхностной микротвёрдости позволила определять режимы ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки для получения необходимых параметров шеек валов под сальники, сальниковые набивки, посадочные места подшипников, валов насосов ЦНС. Внедрена в Акционерной компании «АЛРОСА», Ремонтно-строительное специализированное управление, г. Мирный, Республика Саха (Якутия);

В исследовательской работе использован комплект оборудования для ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки и контроля качества, разработанный автором и признанный победителем в номинации «Лучший инновационный продукт» в направлении «Индустрия нано-систем и

материалов» в конкурсе инновационных проектов в сфере науки и высшего образования Санкт-Петербурга в 2008г.

Результаты исследований используются в учебном процессе СЗТУ в качестве лабораторных работ, в производственной и преддипломной практике и в дипломных работах, по дисциплинам: «Первичные преобразователи» «Специальные методы обработки» и в новой дисциплине «Ультразвуковая техника и технологии».

Результаты выполненной работы позволяют повысить качество производительность труда на финишных операциях механической обработки в' 2-3 раза, получить экономию за счёт повышения эксплуатационных свойств изделий в 1,5 - 2,5 раза, улучшить экологию.

Результаты работ внедрены в производство на более чем 20 предприятиях России и ближнего зарубежья: ОАО Синарский трубный завод, г. Синара, Свердловской обл., внедрена технология ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки и контроль качества восстановленных валов; ОАО «Брестгазоаппарат», республика Беларусь, внедрена ультразвуковая установка для комбинированной обработки наружных и внутренних поверхностей изделии направляющих узлов штампов и методика контроля качества.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Методика контроля амплитуды ультразвуковых механических колебаний инструмента и оценки изменения шероховатости и поверхностной микротвёрдости при различных усилиях давления рабочего инструмента;

2. Методика контроля и устройство управляемой ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки, обеспечивающих проведение обработки при различных режимах;

3. Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь обеспечивающий широкий спектр выходных параметров ультразвукового воздействия и их контроль, в отличие от известного магнитострикционного преобразователя (Ультразвуковой преобразователь отличающийся тем, что количество пьезоэлектрических элементов может быть от 2 до 6 и определяется требуемой мощностью преобразователя, отличающийся тем, что диаметр сквозного отверстия излучающей накладки может быть от 3 до 20 мм. для получения необходимого коэффициента усиления амплитуды). (Патент РФ № 94176).

4. Экспериментальная зависимость шероховатости и упрочнения поверхности от давления индентора на обрабатываемую поверхность.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах на: Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab View и технологии National Instruments», Москва, 23-24 ноября 2007г.; 8-ой Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», Москва, 18-20 марта 2009г.; Международной научно-технической конференции «Системы и процессы управления и обработки информации» том 2, С-Петербург, 25-27 мая 2010г-

II Международной научно-практической конференции «Механизмы формирования научного и кадрового сопровождения высокотехнологичных производств на предприятиях регионов» С-Петербург, 12-14 апреля 2011 г.; Результаты работы обсуждались на семинарах кафедры приборов контроля и систем экологической безопасности, кафедры технологии машиностроения и кафедры технологии материалов и сварки СЗТУ, а также были использованы при разработке учебно-экспериментальных пособий, для проведения лекционно-практических занятий по курсу дисциплин кафедр.

Публикации По теме диссертации получено два патента, опубликовано восемнадцать научных печатных работ, в том числе три в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и выводов, изложена на 157 страницах, содержит 52 рисунка, 16 таблиц и 96 наименований литературных источников.

Во введении обоснована актуальность работы, приведена краткая аннотация и раскрываются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ современного состояния методов и средств контроля качества обработки металлов. Качество обработки подразумевает шероховатость и волнистость поверхности, а также её физико-механические свойства.

Для оценки шероховатости используются: оптические, щуповые, электронно-микроскопические и другие методы. Промышленное применение приобрел щуповой метод. Суть его заключается в том, что по поверхности скользит игла с радиусом закругления 2-10 мкм, значительно меньшим, чем радиус закругления вершин микронеровностей. Колебания иглы в вертикальном направлении преобразуются в электрические сигналы, поступающие в микропроцессор, который выдает в цифровом виде основные характеристики профиля, рис.1.

Рисунок 1 - Шероховатость поверхности и процесс измерения шероховатости ГОСТ 2789-73 - на шероховатость.

Измерение микротвердости является основным методом определения механических характеристик поверхностного слоя. Микротвердость исследуют методом вдавливания алмазной пирамиды на приборах ПМТ-3 и др., Рис.2.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

(1)

где Ra —среднее арифметическое отклонение профиля

Рисунок 2 - Схемы определения твердости: а - по Бринеллю; 6- по Роквеллу;, — по Виккерсу.

Определение твёрдости НУ по Виккерсу, ГОСТ 2999-75 а

2Р-ят

НУ =-

- = 1,854

Р_

V

(кгс / мм1)

(2)

где Р — нагрузка на пирамиду, кгс;

а угол между противоположными гранями пирамиды (136°); с1 — среднее арифметическое длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.

Во второй главе проведен анализ существующих методов финишной обработки металлов, контроля основных параметров, измерения шероховатости и упрочнения обработанной поверхности.

Проведено исследование влияния ультразвукового воздействия различной интенсивности на формирование поверхности, контроль параметров и управление процессом.

Проведен сравнительный анализ исследований обработки изделий без

ультразвука и с наложением ультразвуковых колебаний, табл.1.

Таблица 1 - Сравнительные данные микротвердости - НУ и шероховатости - Яа,

Обрабатываемый материал НУ(кгс/мм') Яа,мкм

исходная ОШ УЗУФО исходная ОШ УЗУФО

Сталь 35 222 310 318 3,2 0,2 0,12

Сталь 45 4ПП---- 243 337 340 3,2 0,25 0,16

а)

> 337 340 - ----------

■И I

б)

■ Сталь 45 |

Рисунок 3 - Графики НУ и К а после обработки шаром и ультразвуком а) показатели микротвёрдости - НУ; б) показатели шероховатости - Ка Из графика рис. 3. видно, что при ультразвуковой обработке получаемые результаты Ка и НУ лучше, чем при обработке шаром.

На экспериментальных образцах исследования шероховатости поверхности проводились на профилографе. Исследования твёрдости проводились на ручном микротвердомере «Константа ТУ» и на автоматической системе

Рисунок 4 - Схема воздействия ультразвукового инструмента на обрабатываемую поверхность: А(мкм) - амплитуда колебаний; Р(Вт) -мощность ультразвукового воздействия; 8(мм/об) - подача инструмента Более полное использование резерва повышения качества поверхностного слоя можно получить заменой статического метода поверхностного деформирования импульсным, с наложением ультразвуковых колебаний на инструмент, рис.4. При ультразвуковом воздействии в поверхностном слое происходят сложные процессы: наложение знакопеременных нагрузок на статическую нагрузку, локальное поглощение ультразвуковой энергии, что в конечном итоге приводит к изменению течения металла и облегчению пластического деформирования и, как следствие, малой шероховатости, упрочнённому слою и сжимающим остаточным напряжениям на обработанной поверхности изделия.

В третьей главе приведены методики контроля и управления процессами ультразвуковой поверхностной обработки металла. Технология ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов основан на:

- преобразовании электрического сигнала промышленной частоты 50Гц в электрический сигнал ультразвуковой частоты 22000Гц с помощью ультразвукового генератора.

- преобразовании электрического сигнала ультразвуковой частоты 22000 Гц в механические колебания инструмента, той-же частоты с помощью ультразвукового преобразователя. При этом ультразвуковое оборудование (генератор и преобразователь) работают на резонансной частоте.

Практическое использование мощного, технологического ультразвука во многом определяется техническими возможностями создания и передачи в обрабатываемую зону колебаний определенной мощности Р(Вт), амплитуды с/мкм) и частоты Ш и).

Р = М/ = -^Гт$тттсоз(р-у), (3)

2тт

Как источник питания электрических преобразователей используются ультразвуковые генераторы. В настоящем исследовании источником питания пьезокерамического преобразователя являлся ультразвуковой генератор УЗГ -200/22 с выходной мощностью 200Вт., рабочей частотой 22 ± 1,3 кГц.

Для обеспечения стабильного результата кроме согласования по частоте, необходимо осуществлять стабилизацию амплитуды механических колебаний излучающей поверхности колебательной системы. Параметры работы колебательной системы, сильно зависят от условий и свойств обрабатываемых материалов. Поэтому ультразвуковой генератор был дополнительно снабжен системой автоподстройки частоты (АПЧ) и автоподстройки амплитуды (АПА) рис.5.

Рисунок 5 - Блок-схема системы АПЧ (автоматической подстройки частоты) и АПА (автоматической подстройки амплитуды)

ЗГ - задающий генератор; УЗГ - ультразвуковой генератор; НАГР-колебательная система; Д1, Д2 - датчики колебаний; УУ - устройство усреднения; И - интегральный регулятор; ФД - фазовый детектор. Исследования показали, что в пределах рабочих акустических нагрузок УЗУФО, стабилизация величины амплитуд механических колебаний обеспечивается системой АПЧ.

Для получения контролируемой обработки металлов разработан ультразвуковой полуволновый пьезокерамический преобразователь обеспечивающий широкий спектр выходных параметров ультразвукового воздействия и их контроль, содержит в зависимости от необходимой мощности от 2 до 6 пьезоэлектрических элементов, а диаметр сквозного отверстия излучающей накладки для получения необходимого коэффициента усиления

амплитуды может быть от 3 до 20 мм., рис.6.

6

? А

/ / / /

5

У4 111111111 ІТПГтт^.

Рисунок 6 - Ультразвуковой полуволновый пьезокерамический преобразователь 1 -пьезокерамические кольца, 2-излучающая накладка, 3-отражаюшая накладка, 4-электроды, 5-сквозной канал, 6-корпус

Разработанная схема ультразвукового полуволнового пьезокерамического преобразователя обеспечивает широкий спектр выходных параметров ультразвукового воздействия и их контроль, в отличие от ранее применяемых магнитострикционных преобразователей.

Произведён расчет и изготовление полуволнового преобразователя и волноводов. Важной и непростой задачей является выбор материала волновода. Проведённые исследования в этой области рекомендуют сплавы титана, сплавы алюминия и качественные углеродистые стали.

Я = с// (4)

Зависимость длины звуковой волны от скорости звука и его частоты: где X — длина волны, с — скорость звука в среде, ґ— частота.

На базе этого преобразователя разработана и изготовлена ультразвуковая волновая колебательная система.

Основным узлом ультразвукового технологического оборудования является колебательная система. Она служит для создания и передачи в обрабатываемую зону колебаний определенной мощности, амплитуды и частоты.

Усиление и ввод энергии ультразвуковых колебаний в обрабатываемую зону осуществляется с помощью узла волновод-инструмент, который присоединяется к преобразователю. В настоящем разделе рассмотрены типовые методики расчета наиболее распространенных форм волноводов-концентраторов и разновидности инструментов, используемых при УЗУФО. Наиболее распространённые формы волноводов-концентраторов: конические, ступенчатые, экспоненциальные, катеноидальные. а) Расчёт ступенчатого волновода-концентратора:

I = у/2 г резонансная длина, где Ї - резонансная частота (5)

Х0= У2 - положение узловой плоскости (6)

Ку = Ы2 = (°/іі) 2, - коэффициент усиления амплитуды (7)

б) Расчёт конического волновода-концентратора:

_ X кі , где И - корни уравнения (8)

"2П

кі 2П ,

= 1+ (*02*(1-*)2 ; Т = ВОЛНОВОЄ ЧИСЛ0' 1 (кіл 1

(9)

*°4Ня);гдеа=^ (10)

Ку=^+(2П/Л)\ (И)

где В и с/-диаметры входного и выходного торцов волноводов

Схема ввода акустической энергии в зону обработки апробирована в предварительных работах по УЗУФО, рис.7.

Рисунок 7 - Схема ультразвукового оборудования и процесса ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов. 1, 2 - пьезокерамический преобразователь, 3 - волновод-концентратор, 4 - индентор, 5 - регулятор давления, 6 - демпфер, 7 - узел крепления, 8 - обрабатываемая деталь, 9 -ультразвуковой генератор.

Важным узлом колебательной системы для УЗУФО является сменный наконечник с закреплённым на нём индентором. Индентор из твёрдого сплава ВК8 припаян твёрдым припоем к наконечнику, заточен полусферой с радиусом (г=4мм) и заполирован до Ra 0,02.

Разработанное технологическое устройство (5-7) предназначено для

крепления колебательной системы в резцедержателе станка, для направленного

и регулируемого ультразвукового воздействия на обрабатываемую поверхность изделия.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований параметров обработки с целью определения влияния: -амплитуды ультразвуковых механических колебаний на шероховатость; -усилия давления индентора на шероховатость; -амплитуды ультразвуковых механических колебаний на упрочнение; -усилия давления индентора на получение максимального упрочнения. Разработана методика контроля с использованием разработанного стенда для измерения амплитуды ультразвуковых механических колебаний на холостом режиме и при различных усилиях давления на инструмент, а также градуировки регулирующего устройства, рис.8

1 3 5

6

Рисунок 8 - Стенд для измерения амплитуды колебаний ультразвуковой колебательной системы и градуировки устройства. 1) индикатор часового типа с ценой деления 1 мкм., 2- упор, 3- колебательная система, 4-динамометр, 5-градуируемое регулирующее устройство, 6- ультразвуковой генератор

Таблица 2 - Зависимость амплитуды колебаний от усилия давления

Усилие давления Р х10|)( Н/м^) 0 80 120 160 200 240 280 320 360

Амплитуда колебаний ^(мкм) 9,7 6,8 5,4 4,2 3,4 2,9 2,5 2,2 2,0

Анализ результатов подтверждает зависимость амплитуды колебаний от усилия давления инструмента, табл.2.

Разработанное устройство управляемой ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки, обеспечивает основные параметры в следующих пределах: акустическая мощность 120-200Вт; рабочая частота £=22-23кГц; амплитуда ультразвуковых колебаний инструмента £=(1,5...10мкм); радиус индентора г= 4мм; усилие давления индентораР х106=(50... 400 Ніш').

В настоящей работе объектом исследования являются детали типа «тела вращения», к поверхностям которых предъявляются высокие требования по прочности и износостойкости, материал ст.45.

Проведена исследовательская, экспериментальная работа по повышению качества поверхности металлов с контролем основных параметров УЗУФО. Проведено исследование 100 образцов диаметром с!=30мм. и длиной Ь=200мм. Режимы обработки (точения): п = 630об/мин., Б = 0,12мм/об. Шероховатость после резца Яа 3,2мкм. На токарном станке установили комплект УЗУФО и обработали 170мм. длины образцов на различных режимах ультразвукового воздействия.

Программа исследований включала оценку эффективности

ультразвуковой обработки за счет контроля основных параметров, контроля шероховатости и упрочнённого слоя исследуемых образцов. Одной из задач являлось установление связи между величиной шероховатости и параметрами ультразвукового воздействия.

Второй задачей являлось установление связи между величиной упрочнения и параметрами ультразвукового воздействия.

Все образцы прошли тщательный контроль и исследования по шероховатости, рис.9, 10 и упрочнению. Среднестатистические показатели измерений, таблица 3. Яа(мкм)

а) '

Яа(мкм)

16.6' 16.8' 17.0 17.2 17.4 17.6 17.8 18.0 18.2 18.4 18.6 18.8 19.0 19.2 19.4 19.6 19,8 20,0 20.2 20.4 миллиметры

Ь - базовая длина (мм)

33.0 33.2 33,4 33,0 3 3 8 34.0 34 2 34.4 5.6 34.8 35.0 352 35.4 ЗМ 3¿8 36,0 иГжТЗГжї миллиметры

0 Ь-базовая длина (мм)

Рисунок 9 - Профилограмма шероховатости поверхности

а) исходная шероховатость Яа 3,2; б) шероховатость после УЗУФО ка 0,05

Таблица 3 - Зависимость величин шероховатости-Яа, упрочнения-Ну и

Усилие давления РхЮ6 (Н/м2) Шероховатость Ra (мкм) Упрочнение HV (%) Глубина упрочненного слоя h (мм)

80 0,8 ±0,013 15 ±0,17 0,10 ±0,08

120 0,4 ±0,013 28 ±0,15 0,20 ±0,06

160 0,2 ±0,012 42 ±0,13 0,35 ±0,06

200 0,1 ±0,011 59 ±0,16 0,51 ±0,07

250 0,05 ±0,01 80 ±0,18 0,70 ±0,08

260 0,05 ±0,011 83 ±0,14 0,73 ±0,09

270 0,05 ±0,01 84 ±0,18 0,74 ±0,08

280 0,06 ±0,012 84,2 ±0,14 0,74 ±0,08

290 0,08 ±0,012 84 ±0,16 0,735 ±0,07

300 0,2 ±0,018 83 ±0,18 0,71 ±0,09

330 6,3 ±0,076 20 ±0,18 0,5 ±,09

I' Ra (мкм) HVt%)

6 90

5 80

<24 3 60

І «п х

d0

1 20:

а) 0 5С 1С О 15 0 20 Р 0 25 0 30 35С б) 0- Я 10 15 20 Р 25 30 35

Рисунок 10 - Графики зависимости шероховатости (а) и упрочнения (б) от усилия давления индентора при УЗУФО

Контроль шероховатости поверхности на образцах после ультразвуковой обработки, обработанных при различных усилиях давления индентора проводился на профилографе фирмы Taylor Hobson, рис.11.

Экспериментальные данные показали что, основными параметрами влияющими на качество ультразвуковой обработки металлов являются усилие давления индентора и амплитуда колебаний ультразвукового инструмента

Рисунок 11 - Измерительный комплекс для измерения шероховатости-(а) и обработанный образец-(б)

Из всего многообразия методов измерения твердости металлов и сплавов наибольшее распространение получили методы измерения по шкалам Роквелла, Виккерса, Бринелля и Шора. В зависимости от метода в исследуемую поверхность вдавливается алмазная пирамидка, конус или стальной шарик. Если посчитать соотношение нагрузки и диаметра отпечатка стального шарика, получится величина твёрдости по методу Бринелля. Если определяется площадь следа от 4-х гранной алмазной пирамидки, это метод Виккерса.

Микротвёрдость образцов, обработанных УЗУФО, замерялась на ультразвуковом портативном твердомере «Константа ТУ» по методу Виккерса. Прибор реализует метод ультразвукового контактного импеданса. Обработка первичной информации с выхода преобразователя производится блоком обработки информации. Отображение результатов осуществляется на жидкокристаллическом индикаторе, рис.12.

а) б)

Рисунок 12 - Ультразвуковой портативный твердомер «Константа ТУ» а) блок обработки информации б) вид преобразователя и элементы 1 - корпус; 2 - съемная разборная насадка; 3 - съемная двухсторонняя упорная шайба; 4 -центровочная трубка; 5 - алмазный наконечник

Для измерения тонких упрочнённых слоев, получаемых в результате воздействия ультразвуком нами были разработаны опытные образцы ультразвукового твердомера Константа ТУ для измерений поверхностной микротвёрдости малой толщины, который был сертифицирован и аттестован.

Проверка гипотезы нормальности распределения проведено по критерию Пирсона. Расчетное значение критерия Пирсона для Н,£ч= 0,663. Критическое значение х'при доверительной вероятности р = 0,8 и числе степеней свободы к = 1 ~ 3 = 3 Равно: Х2= 1,005. Так как критерий x2<%2q гипотеза о нормальности распределения с вероятностью/? = 0,8 не противоречит данным выборки.

Для оценки точности разработанного прибора и штатного твердомера использовали гипотезу равенства или степени расхождения дисперсии. Сравнение дисперсий предлагаемого прибора и штатного дает отношение Fb = 0,08/0,065 = 1,23. По таблицам при kl=19 и к2=14 для уравнения значимости 5%, т.е. 0,05, и вероятности р=0,95 Ft=2,4. Поскольку выборочное значение Fb<Ft, гипотеза о равенстве дисперсий принимается. Таким образом, точность измерений с надежностью р=0,95 можно считать одинаковой.

Процесс УЗУФО характеризуется изменением различных технологических факторов. Вероятные значения одних факторов могут быть известны заранее, других - измерены в ходе технологического процесса. Однако существует ряд факторов,^ которые не могут быть учтены заранее и их значение носит случайный характер, как например, химический состав обрабатываемого материала, параметры окружающей среды, однородность материала наконечника и т.д.

В работе проведена проверка распределения величины НУ нормальному закону распределения. В качестве критерия соответствия выбран критерий (К. Пирсона). Как известно, критерием соответствия или мерой расхождения является величина

I

X2 =YJ(m,-npi)2/пр„ (12)

где / — число всех интервалов; га, — число значений НУв интервале, р, -доверительная вероятность.

Критическое значение %2при доверительной вероятности Р = 0,95 и числе степеней свободы к = / — 3 = 7 равно: *2= 14,1. Так как критерий Х2<х\ гипотеза о нормальности распределения с вероятностью Р = 0,95 не противоречит данным выборки.

Для оценки точности разработанного прибора и штатного твердомера использовали гипотезу степени расхождения дисперсии. Критерием оценки степени расхождения дисперсии является критерий Фишера F-распределения. Как известно, критерий Фишера зависит только от чисел степеней свободы к, = n, -1 и k2=n2 -1 для двух выборочных дисперсий ст,2 и ст22. Если выборочное значение критерия F, равное отношению большей выборочной дисперсии (ст,2) к меньшей (ст2 ), меньше табличного значения при заданном уровне значимости, гипотеза о равенстве или незначимом расхождении принимается. В противном случае гипотеза должна быть отвергнута, т.е. расхождение дисперсии считают неслучайным или значимым.

С этой целью на разработанном приборе проведено Пі=20 измерений твердости, среднее значение Н» = 243,о , среднеквадратичное отклонение

а*= п = 1,20. (13)

На штатном приборе проведено п2=15 измерений. Среднее значение

ї{Нуі-Щ2

Я„ = 243,1 > среднеквадратичное отклонение

а' =■

п

= 0,70. (14)

Сравнение дисперсий предлагаемого прибора и штатного дает отношение Рв -1,20/0,70 = 1,71. По таблицам при к,=19 и к2=14 для уравнения значимости 5%, т.е. 0,05, и вероятности р=0,95, критерий Фишера Рт=2,4. Поскольку выборочное значение Р„<РТ , гипотеза о равенстве дисперсий принимается. Таким образом, точность измерений с надежностью р=0,95 можно считать одинаковой. В исследовании также участвовали приборы; измерительный комплекс ОтшМе1, ультразвуковой твердомер ТКМ-459 и микротвердомер ПМТ-ЗМ.

Исследование микротвердости выявило постоянное увеличение твердости от приповерхностного слоя на глубине 0,74 мм. к поверхности на 84.2%.

Проведён углублённый анализ экспериментальных данных шероховатости-Яа, величины упрочнения-Ну и глубины упрочнённого слоя-Ь,

рис.13.

І подогнанная поаеряхсстъ. Перемен НауЗО

® подогнанная поверхность; Переиен.:1?ауЭО

а)

Подогнтнн л»»(пмрст>; П«р«а«н.: КіУЗО 2 ф»ггоры. 1 Бпоїм: Оот*точм.8В«2А22731 ЗП: ЯіУЗО

б)

Рисунок 13 - Анализ в среде программы «81а118иса», а) График поверхности отклика б) Контурный график поверхности модели Таким образом, определены оптимальные параметры ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки Рх106=270 Н/м2, £, =2,5 мкм. для получения минимальной шероховатости Яд 0.05, максимальной величины НУ=84.2% и глубины упрочнения Ь=0,74мм.

Изложены основные результаты, область применения и перспективы развития результатов диссертационной работы.

В результате исследований, используя разработанную методику контроля режимов ультразвуковой обработки и контроля входных и выходных параметров изделия, удалось достигнуть следующих результатов. - исходная шероховатость поверхности Яа„сх (6,3-1,6) -шероховатость поверхности после УЗУФО Каузо.(0,1- 0,05),

-повышение микротвёрдости на 50 - 60% -глубину упрочнения до 0,8 мм,

Наилучшие результаты по шероховатости и упрочнению получили при усилии давления инструмента равной Рх 106=270 Н/м2.

Показало, что при ультразвуковой обработке возможен контроль основных параметров: амплитуды (£), у.з. частоты^, давления (Р). По предложенной методике ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки возможен контроль режимов и получение поверхности с необходимыми параметрами шероховатости и упрочнения поверхности.

Устанавливая определённую величину давления инструмента, получаем необходимую величину шероховатости и упрочнения поверхности.

Методики контроля параметров ультразвуковой обработки металлов и контроля входных и выходных параметров состояния поверхности позволили повысить качество финишной обработки изделий и, как следствие, надёжность и долговечность работы механизмов машин, а также улучшить экологию и повысить культуру производства.

Таким образом, применение методики и устройства управляемой ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов с контролем основных параметров позволит повысить качество и осуществить интенсификацию производственных процессов в машиностроении, судостроении, авиакосмической и других отраслях промышленности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Разработана методика контроля влияния различных параметров ультразвуковой обработки, установлены их оптимальные величины (1=4 мм., РхЮ =270 Н/м , 4=2,5 мкм.) для получения малой шероховатости и максимального упрочнения обработанной поверхности;

2. Разработана методика контроля и устройство управляемой ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки, обеспечивающих обработку металлов при различных режимах;

3. Разработана методика измерения и контроля амплитуды ультразвуковых механических колебаний инструмента на холостом режиме и при различных усилиях давления на инструмент;

4. Разработан и изготовлен стенд для измерения и контроля амплитуды ультразвуковых механических колебаний инструмента на холостом режиме и при различных усилиях давления на инструмент;

5. Разработан ультразвуковой преобразователь, отличающаяся от известных тем, что обеспечивает широкий спектр выходных параметров ультразвукового воздействия и их контроль, в отличие от ранее применяемых магнитострикционных преобразователей (Патент РФ № 94176);

6. Разработана и изготовлена ультразвуковая колебательная система с контролем за основными характеристиками при проведении исследований по ультразвуковой обработке металлов (Р=200 вт„ ^=22 кГц 1=2 5-3 мкм) (Патент РФ № 94488); '

7. Разработана методика контроля и оценки изменения шероховатости и поверхностной микротвёрдости в процессе ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки с использованием профилографа и у. з. микротвердомера;

8. Установлена зависимость шероховатости и упрочнения поверхности от величины амплитуды механических колебаний инструмента, определены оптимальные величины амплитуды ( =2,5-3,0 мкм);

9. Экспериментально установлена зависимость шероховатости и упрочнения поверхности от величины давления индентора на обрабатываемую поверхность, определены оптимальные величины давления РхЮ =270 Н/м .

Разработанная методика контроля параметров ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки позволила повысить качество финишной обработки, производительность и долговечность работы изделий.

Разработки и инновационные проекты автора в области приборостроения, ультразвуковых технологий и приборов контроля качества, отмечены дипломами и медалями различных конкурсов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ В рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Палаев А.Г. Технология, оборудование ультразвуковой упрочняюще-финишная обработки металлов и контроль качества / А.Г. Палаев, А.И Потапов, В.В. Максаров // Металлообработка № 6(66), 2011, С. 38-41.

2. Палаев А.Г. Автоматизация контроля качества сварных швов с использованием ультразвуковой технологии / А.Г Палаев, В.Е. Махов, А.И. Потапов // Приборостроение № 5, 2009, С. 75-81.

3. Палаев А.Г. Новый станок УЗОС2-1,0/22 для ультразвуковой размерной обработки / А.Г. Палаев, И.В. Петушко, Ю.Н. Дроздецкий // Металлообработка № 1(25), 2005, С. 43-45.

Патенты

4. № 94176 Ультразвуковой преобразователь / Палаев А.Г., 2010

5. № 94488 Ультразвуковая колебательная система / Палаев А.Г., 2010 Доклады Международных научно-технических конференций

6. Палаев А.Г. Автоматизация контроля сварных швов на базе технологии фирмы NATIONAL INSTRUMENTS / А.Г. Палаев, В.Е. Махов, А.И. Потапов // Сборник трудов международной научно-практической конференции Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab View и технологии National Instruments, Москва, 23-24 ноября 2007, С. 384-393.

7. Палаев А.Г. Контроль качества деталей, обработанных методом ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки / А.Г. Палаев // Доклады 8-ой Международной конференции Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности, Москва, 18-20 марта 2009, С. 22-24.

8. Палаев А.Г. Ультразвуковая упрочняюще-финишная обработка металлов, контроль шероховатости и упрочнения обработанной поверхности / А.Г. Палаев, А.И Потапов, A.B. Кимстач // Материалы международной научно-

технической конференции. Системы и процессы управления и обработки информации, С-Пб, 25-27 мая 2010, С.443 - 452.

9. Палаев А.Г. Ультразвуковые технологии-технологии XXI века / А Г Палаев, А.И. Потапов, H.A. Палаев, A.B. Кимстач // Материалы II Международной научно-практической конференции Механизмы формирования научного и кадрового сопровождения высокотехнологичных производств на предприятиях регионов, С-Пб, 12-14 апреля 2011, С.180-183.

10. Palaev A.G. ULTRASOUND TECHNOLOGIES ТО STUDY THE ACCELERATION OF DECOMPROSITION PLASTIC BAGS WITH THE ADDITION OF D2W / A.I Potapov, A.G Palaev, O.N. Glushchenko // The International Youth Science Enveronmental Forum. «ЕСОВALTICA 2011» St-Petersburg, Russia, September 29 - October 01, 2011, S.227.

В других научных изданиях

11. Палаев А.Г. Резание материалов с использованием ультразвука / А Г Палаев//Инструмент № 3, С-Пб, 1996, С. 29.

12. Палаев А.Г. Исследование рентгенографическим методом остаточных напряжений при диагностировании сварных соединений низколегированных сталей / A.B. Кимстач, А.Г. Палаев // Проблемы машиноведения и машиностроения: Межвузовский сборник, С-Пб, СЗТУ, 2004, Выпуск 32, С.

13. Палаев А.Г. Первичные ультразвуковые преобразователи / А.Г. Палаев, A.B. Кимстач // учебно-методический комплекс, СЗТУ, 2007.

14. Палаев А.Г. Методические указания к выполнению лабораторных работ: Исследование режимов ультразвуковой очистки и мойки деталей / А.Г. Палаев, A.B. Кимстач // учебно-методический комплекс, СЗТУ, 2008.

15. Палаев А.Г. Методы контроля качества деталей обработанных способом ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки / А.Г. Палаев, А.И. Потапов, A.B. Кимстач // Межвузовский сборник выпуск 17,' Неразрушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и промышленных изделий, С-Пб, 2009, С. 166-170.

16. Палаев А.Г. Ультразвуковая сварка полимеров и контроль качества сварного шва / А.Г. Палаев, А.И Потапов // Межвузовский сборник Неразрушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и промышленных изделий, С-Пб, 2009, С. 370-402.

17. Палаев А.Г. Сравнительный анализ эффективности воздействия ультразвуковой обработки сварных швов в горячем и холодном состоянии с целью перераспределения остаточных напряжений / А.Г. Палаев, A.B. Кимстач // Проблемы машиноведения и машиностроения: Межвузовский сборник-Выпуск 40. С-Пб, СЗТУ, 2010, С. 122-125.

18. Палаев А.Г. Экологически чистая ультразвуковая упрочняюще-финишная обработка металлов / А.Г. Палаев, А.И Потапов, О.Н. Глущенко // Межвузовский сборник Неразрушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и промышленных изделий выпуск 21, С-Пб, 2011,С.256-259.

Отпечатано с оригинал-макета. Формат 60х90'Лб Печ.л. 20. Тираж 70 экз. Зак. № 81

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26 Типография издательства СПбГТИ(ТУ), тел. 49-49-365

61 12-5/2693

Министерство образования Российской Федерации Северо-Западный государственный заочный технический университет

На правах рукописи

Палаев Александр Григорьевич

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ, ОБРАБОТАННЫХ УЛЬТРАЗВУКОМ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Потапов А.И.

Санкт-Петербург - 2012

Оглавление

Введение......................................................................................................................4

Глава 1 Анализ современного состояния методов и средств контроля качества обработки металлов.................................................................................7

1.1 Анализ методов контроля шероховатости поверхности.................................7

1.2 Анализ методов контроля твёрдости..............................................................17

1.3 Анализ методов контроля качества.................................................................32

1.4 Постановка задач исследования......................................................................34

Глава 2 Анализ существующих методов финишной обработки металлов, контроля основных параметров, измерения шероховатости и упрочнения обработанной поверхности....................................................................................35

2.1 Анализ методов финишной обработки металлов.........................................35

2.2 Метод контроля шероховатости обработанной поверхности, теоретическое обоснование.............................................................................................................53

2.3 Метод контроля упрочнённого слоя, теоретическое обоснование..............68

2.4 Теоретическое обоснование методов контроля качества поверхности.......81

2.5 Методы контроля структуры упрочнённого слоя..........................................90

Глава 3 Методические принципы контроля и управление процессом ультразвуковой обработки металла....................................................................92

3.1 Теория ультразвукового воздействия на поверхность металла...................92

3.2 Требования к методике контроля....................................................................99

3.3 Описание функциональных схем и устройств контроля............................102

3.4 Анализ погрешности измерений....................................................................107

3.5 Метрологическое обеспечение средств контроля.......................................109

Глава 4. Неразрушающий контроль поверхности металла после ультразвуковой обработки..................................................................................ИЗ

4.1 Экспериментальные исследования шероховатости поверхности после ультразвуковой обработки...................................................................................113

4.2 Экспериментальные исследования твёрдости упрочнённого слоя после ультразвуковой обработки...................................................................................124

4.3 Исследование толщины упрочнённого слоя.............................................133

4.4 Технические и экономические преимущества результатов диссертационной работы.....................................................................................................................145

4.5 Область применения и перспективы развития результатов диссертационной работы......................................................................................146

Основные результаты диссертационной работы...........................................147

Список литературы...............................................................................................149

Введение

В современных условиях качество выпускаемой продукции выступает важным мерилом экономических успехов любого предприятия, и даже государства. В условиях рыночной экономики именно с резким повышением качества производимой продукции связана возможность возрождения отечественной промышленности, а тем более выход отечественных товаропроизводителей на мировой рынок. Контроль качества продукции является составной частью производственного процесса. Поэтому огромное значение имеет разработка методов и приборов контроля состояния материалов и изделий, получаемых с помощью различных технологий. В свою очередь главным критерием качества технологий являются методы контроля различных способов воздействий для получения качественных изделий, соответствующих эксплуатационным требованиям.

Всевозрастающая конкуренция производителей различного оборудования и техники требует постоянного повышения качества материалов и совершенствования технологий. Высокие требования к качеству выпускаемых машин и приборов связаны с необходимостью повышения их точности, надёжности, долговечности, которые в значительной степени определяются эксплуатационными свойствами деталей и узлов.

Долговечность работы машин и приборов напрямую связана с качеством поверхностного слоя деталей, которое формируется в основном на финишных операциях механической обработки.

С помощью распространенных в промышленности традиционных методов финишной обработки шлифования, полирования и доводки с использованием абразивных материалов часто не обеспечивается оптимальное качество поверхностного слоя, а получение качественной поверхности деталей из мягких металлов этими способами практически невозможно. Это объясняется тем, что для повышения чистоты поверхности приходится уменьшать размеры применяемого абразивного порошка. При использовании мелкого абразивного

порошка его частицы вкрапливаются в обрабатываемую поверхность и происходит шаржирование. Кроме того, поверхности после шлифования представляют собой совокупность микроследов абразивных зерен, имеют прижоги и микротрещины, которые не устраняются последующим абразивным полированием. Эти дефекты поверхности являются концентраторами напряжений и с них начинается разрушение поверхностного слоя деталей при работе, что снижает надежность машин и приборов.

Ряд недостатков, присущий этим методам удается исключить заменой их такими методами поверхностного пластического деформирования как алмазное выглаживание, обкатка шаром, роликом, дорнованием и др. По своему характеру воздействия на поверхностный слой они являются статическими, сопровождающиеся большими нагрузками на инструмент и, как следствие, большим трением, а отсюда относительно невысоким качеством поверхности.

Анализ различных прогнозов развития науки, техники и технологии в начале XXI века, в частности японского прогноза, научно-технических публикаций, тематики защищаемых диссертаций, грантов и научно-технических проектов, а так же предложения ученых-технологов позволяют сформулировать основные направления дальнейшего развития технологии машиностроения:

1. Совершенствование и оптимизация существующих и разработка новых энерго и материалосберегающих технологических процессов изготовления изделий машиностроения.

2. Совершенствование и оптимизация существующих и разработка новых наукоемких, комбинированных технологических методов обработки заготовок. Это направление требует системного подхода и создания научных основ по целенаправленному совершенствованию существующих и разработке новых методов обработки деталей.

Совершенствование и оптимизация существующих методов обработки осуществляется по режимам, качеству обрабатываемой поверхности, точности

обработки, энергозатратам, производительности и технологической себестоимости. Комплексной и наиболее перспективной оптимизацией естественно является оптимизация по технологической себестоимости. Наилучшую технологическую себестоимость обеспечивают наукоёмкие технологические методы обработки.

Новыми наукоемкими технологическими методами обработки являются методы, базирующиеся на использовании фундаментальных наук и явлений -физических, химических, электрических. К таким методам обработки относятся: отдел очно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием (ОУО ППД), электроэрозионная, электроимпульсная, электронно-лучевая, светолучевая, ультразвуковая, лазерная, магнитная, химическая и др.

Более полное использование резерва повышение качества поверхностного слоя можно получить заменой статического метода деформирования импульсным — с наложением ультразвуковых колебаний на инструмент. Решению данной задачи посвящены работы известных ученых, среди которых проф. А.И. Марков, проф. И.И. Муханов, проф. Н.П. Алёшин и др

Используя ультразвуковые продольные колебания, достигается наибольшее упрочнение поверхностного слоя (50 -150%) и шероховатость(11а 0,1—0,025 мкм), при малом статическом давлении на обрабатываемую поверхность.

Настоящая работа посвящена повышению качества изделий, увеличение срока их службы за счёт управляемой ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки, контроля шероховатости и упрочнения обработанной поверхности.

Глава 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

1.1 Анализ методов контроля шероховатости поверхности

Для оценки шероховатости используются: оптические, щуповые, электронно-микроскопические и другие методы. Промышленное применение приобрел щуповой метод. Суть его заключается в том, что по поверхности скользит игла с радиусом закругления 2-10 мкм, значительно меньшим, чем радиус закругления вершин микронеровностей. Колебания иглы в вертикальном направлении преобразуются в электрические сигналы, поступающие в микропроцессор, который выдает в цифровом виде основные характеристики профиля. В России профилографы серийно выпускает завод «Калибр», а за рубежом наиболее распространены приборы фирмы «Хьюлет-Паккард». На Рис. 1а показаны основные характеристики геометрии шероховатых поверхностей: шероховатость с максимальной высотой профиля Яшах, волнистость с максимальной высотой волны Илутах и макроотклонения от горизонтальной базовой плоскости с размером ё.

а) б)

Рис. 1. а) Основные характеристики геометрии шероховатых поверхностей; б) схема профилографа

На Рис. 16 изображена схема современного профилографа. Игла 1 скользит по шероховатой поверхности и вместе с якорем 2 поворачивается относительно призмы 3, в результате чего меняется зазор между якорем 2 и сердечником 4, что генерирует переменный сигнал в катушках 5 и 6, который усиливается блоком 7 и регистрируется на ленте 10 самописца 8, а также стрелочным прибором 9. Микропроцессор 11 предназначен для вычисления стандартных показателей микрогеометрии, которые высвечиваются на цифровом табло. Для исключения влияния волнистости призма прибора прикреплена к шаровой опоре 12. Шаровая опора обеспечивает скольжение по вершинам микровыступов, огибая волны, поскольку если опора будет скользить по плоской гладкой поверхности, то одновременно будут записываться шероховатость и волнистость. Прибор позволяет изменять в широком диапазоне масштаб увеличения по осям X и Y. Возможно увеличение по оси Y до 100000 раз.

В последние годы разработаны методы получения профилограмм на растровом, электронном и сканирующем (туннельном) микроскопах. Разрешение в этом случае достигает нанометров. Удается регистрировать шероховатость молекулярных размеров (субмикрошероховатость), а также микродефекты кристаллической структуры.

Поверхность обработанной детали не является идеально ровной и геометрически правильной. Она отличается от номинальной (заданной чертежом) микро - и макрогеометрическими отклонениями.

Микрогеометрические отклонения определяют шероховатость поверхности, макрогеометрические - характеризуют волнистость и отклонения формы. Между этими видами погрешностей нет четкого физического различия, однако условно их можно разделить по отношению шага S к значению отклонения Л от номинального контура. Неровности, для которых отношение S/Д < 40, относят к шероховатости, при 1000 > S/A > 40 - к волнистости, при S/A > 1000 - к отклонениям формы.

Шероховатость поверхностей регламентируется ГОСТ 2789-73 и соответствующими рекомендациями.

Шероховатость поверхности при обработке заготовки детали зависит от многих технологических факторов: режимов обработки (скорости резания, подачи); геометрии (переднего и заднего углов), материала и качества поверхности инструмента; механических свойств, химического состава и структуры материала заготовки; состава смазывающе-охлаждающей жидкости; жесткости системы СПИД и др. В то же время шероховатость поверхностей в значительной степени определяет основные эксплуатационные свойства деталей и узлов - износостойкость, сопротивление усталости, надежность посадок, контактную жесткость и теплопроводность стыков сопряженных деталей, коррозионную стойкость, герметичность соединений, отражающую и поглощающую способность поверхностей и др. Поэтому характеристики шероховатости поверхности строго нормируются и подвергаются постоянному анализу в технологических исследованиях и контролю в процессе производства.

Оценка точности результатов измерений микронеровностей поверхностей производится общепринятыми в метрологии методами. Однако при оценке шероховатости поверхности возникают и некоторые специфические метрологические проблемы.

Чертежом, как правило, задаются требования к шероховатости всей рабочей поверхности детали. Контроль соблюдения этих требований осуществляется обычно по некоторому числу профилей ограниченной длины. При этом возникают вопросы: какой длины должен быть каждый обследуемый профиль, т.е. участок измерения; сколько должно обследоваться таких участков; какие участки выбирать для измерений, чтобы оценить качество поверхности в целом.

Оценку шероховатости поверхности можно производить комплексно (путем сравнения с эталонной поверхностью или другими способами) либо

поэлементно, измеряя отдельные параметры шероховатости поверхности. Поскольку в технологических исследованиях поэлементная оценка шероховатости более распространена [28, 27], рассмотрим некоторые из указанных методов.

Оптические методы измерения шероховатости. Измерение параметров шероховатости оптическими приборами производится бесконтактными методами, среди которых наибольшее распространение получили методы светового сечения, теневого сечения, микроинтерференционные, с применением растров.

Рис. 2 - Схема для определения высоты микронеровностей методом светового сечения

Метод светового сечения заключается в следующем: пучок световых лучей, поступающих от источника света через узкую щель 3 (рис.2, а) шириной около 0,1 мм, направляется объективом 2 под углом а на контролируемую поверхность 1. Отражаясь от этой поверхности, лучи через объектив 5 переносят изображение щели в плоскость фокуса окуляра 6. Если контролируемая поверхность является идеально ровной, то в окуляре щель будет иметь вид светящейся прямой линии (обычно зеленого цвета). Если на поверхности имеется канавка, то в плоскости окуляра наблюдается искривленная светящаяся линия (рис.2, б).

При глубине канавки, равной Я, ее световое сечение Ъ=Е/Бта, размер

а

6

•а

же светового сечения канавки в плоскости объектива b¡ = bV*, где Vх— увеличение объектива микроскопа.

Измерение Ъ ¡ осуществляется с помощью окулярного микрометра, перекрестие которого перемещается на угол /М5° и при этом оценивается Ъ2. Если пучок световых лучей направить на контрольную поверхность под углом а=45°, то Ъ2 = b/sin J3=H/(sin a-sin /3) ■ Vх, откуда Н= Ъ2/(2 V).

Если на расстоянии 0,1 мм от контролируемой поверхности установить линейку 4 со скошенным ребром, то последнее срежет часть пучка света, и на контролируемой поверхности будет видна тень, отбрасываемая линейкой. Верхний край тени, являющийся как бы лезвием ножа, отражает профиль изучаемой поверхности, который и рассматривают в микроскоп (метод теневого сечения).

По принципу светового сечения работают двойной микроскоп МИС-11 и прибор ПСС-2, по принципу теневого сечения - прибор ПТС-1. Эти приборы позволяют измерять неровности поверхности высотой от 0,8 до 63 мкм при погрешности показаний от 24 до 7,5% при наличии четырех пар сменных объективов ОС-39, ОС-40, ОС-41, ОС-42. Прибор ПСС-2 представляет собой усовершенствованную модель ранее выпускающегося прибора МИС-11. Поле зрения у прибора ПСС-2 при работе со всеми объективами соответствует базовым длинам участков измерений по ГОСТ 2789-73. Оба прибора позволяют определять параметры Rz, Rmax и S, а также фотографировать микронеровности.

Прибор ПТС-1 применяется для оценки параметров шероховатости грубо обработанных поверхностей с высотой неровностей Rz от 320 до 80 мкм. Прибор накладной, что позволяет контролировать детали без снятия их со станка.

Микроинтерференционный метод реализуется с помощью приборов МИИ-4, МИИ-5, МИИ-15, МИИ-9, МИИ-10, предназначенных для лабораторных измерений параметров Rz и S и фотографирования

и

микронеровностей чистых поверхностей с Яг = 0,03... 1 мкм. Принцип устройства микроинтерферометра В.П. Линника - сочетание интерферометра Майкельсона с измерительным микроскопом, что позволяет в поле зрения микроскопа увеличенное в нужное число раз изображение интерференционной картины и изме�