автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Контроль шероховатости и упрочнения поверхности металлических изделий, обработанных ультразвуком

На правах рукописи

ПАЛАЕВ АЛЕКСАНДР ГРИГОРЬЕВИЧ

КОНТРОЛЬ ШЕРОХОВАТОСТИ И УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ, ОБРАБОТАННЫХ УЛЬТРАЗВУКОМ

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

материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2010

003492803

003492809

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

Научный руководитель

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор

Потапов

Анатолий Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Московенко

Игорь Борисович

кандидат технических наук, профессор Волков

Станислав Степанович

Ведущая организация Всероссийский научно-исследовательский институт токов высокой частоты

Защита состоится « 23 » марта 2010 г. на заседании диссертационно совета Д 212.244.01 при Северо-Западном государственном заочн техническом университете, по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо -Западного государственного заочного технического университета

Автореферат разослан 19 февраля 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Иванова И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

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.

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. Нужны новые наукоёмкие технологии.

Новыми наукоемкими технологическими методами обработки являются методы, базирующиеся на использовании фундаментальных наук и явлений -физических, химических, электрических. К таким методам обработки относятся: 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 упрочняюще-финишной обработки металлов. Метод пластического деформирования с наложением ультразвуковых колебаний на инструмент позволяет получать более качественную обработку поверхностности с меньшими затратами. Поэтому очевидна актуальность проблемы износостойкости деталей, а значит разработки технологий финишной обработки, контроля шероховатости, упрочнения поверхности и реализации их в машиностроении.

г

I

I л

и

Цель работы:

Целью работы является повышение качества изделий, увеличение срока их службы за счёт управляемой ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки, контроля шероховатости и упрочнения обработанной поверхности.

В соответствии с целью были сформулированы основные задачи:

1. Разработка методики и устройства для управляемой ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки, обеспечивающих проведение экспериментальной обработки при различных режимах

2. Разработка методики контроля влияния различных параметров ультразвуковой обработки, установление их оптимальных величин для получения малой шероховатости и максимального упрочнения обработанной поверхности;

3. Разработка методики измерения амплитуды ультразвуковых механических колебаний инструмента;

4. Разработка и изготовление стенда для измерения амплитуды ультразвуковых механических колебаний инструмента на холостом режиме и при различных усилиях давления на работающий инструмент;

5. Разработка и изготовление ультразвукового пьезокерамического преобразователя для колебательной системы.

6. Разработка и изготовление колебательной системы для проведения ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов.

7. Определение и обоснование конструктивной формы и размера индентора;

8. Разработка методики контроля и оценки изменения шероховатости и поверхностной микротвёрдости в процессе ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки с использованием профилографа и микротвёрдомера;

Научная новизна исследований.

В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

1. Методика контроля и оценки изменения шероховатости поверхности в процессе ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки.

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

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

4. Экспериментально установлена зависимость шероховатости и упрочнения поверхности от величины давления индентора на обрабатываемую поверхность, определены оптимальные величины давления (Р=250-280 Н);

5. Методика контроля и оценки повышения поверхностной микротвёрдости в процессе ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки.

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.

- Контроль шероховатости до и после ультразвуковой обработки производился с помощью инструментального микроскопа и профилографа;

- Контроль микротвёрдости проводился с помощью микротвёрдомера по Викерсу;

- Контроль и оптимизация параметров ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки проводился за счёт оптимизации параметров амплитуды, оптимизации параметров усилия давления инструмента, оптимизации параметров скорости обработки;

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

Практическая ценность работы:

Практическую ценность диссертационной работы представляют результаты исследований:

Методика и устройство управляемой ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки, обеспечивающих проведение обработки на различных режимах позволяет обрабатывать детали из любых металлов и их сплавов.

Определённая в процессе исследований, форма и размер наконечника позволяет производить обработку на малых усилиях давления.

Разработанный и изготовленный ультразвуковой преобразователь способен обеспечить широкий спектр выходных параметров.

Разработанная и изготовленная ультразвуковая колебательная система позволяет производить ультразвуковую упрочняюще-финишную обработку различных металлов и их сплавы.

Методика входного и выходного контроля шероховатости позволяет определять режимы ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки для получения необходимых выходных параметров шероховатости поверхности.

Методика входного и выходного контроля твёрдости позволяет определять режимы ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки для получения необходимых выходных параметров поверхностной микротвёрлости.

В исследовательской работе использован комплект оборудования для ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки, 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. Награждён дипломом и ценным призом Комитета по науке и высшей школе.

Многочисленные разработки автора отмечены дипломами и медалями: Диплом 1 степени и золотая медаль Международной выставки-конгресса ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ, ИННОВАЦИИ, ИНВЕСТИЦИИ.

Диплом Петербургской технической ярмарки в конкурсе «Лучший инновационный проект в области металлургии и машиностроения».

Диплом 2 степени с вручением серебряной медали Международной выставки - конгресса ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ, ИННОВАЦИИ, ИНВЕСТИЦИИ

Диплом с вручением медали Петербургской технической ярмарки в конкурсе «Лучший инновационный проект в области металлургии и машиностроения»

Подано три патента: -ультразвуковой преобразователь, заявка № 2010100031,11.01 2010 г. -ультразвуковая колебательная система, заявка № 2010100425,11.01 2010 г. -способ подготовки крахмалосодержащего сырья при производстве лимонной кислоты, заявка № 2009 139586/13(№056114), 26.10.2009 г.

Результаты исследований используются в учебном процессе СЗТУ в качестве лабораторных работ, производственных и преддипломных практик, дипломных работ, по дисциплинам: «Первичные преобразователи», «Специальные методы обработки» и др.

Результаты выполненной работы позволяют повысить производительность труда на финишных операциях механической обработки в 2-3 раза, автоматизировать финишные операции; получить экономию абразивных материалов и дорогостоящих войлочных и фетровых кругов, применяемых при традиционных методах шлифования и полирования; получить экономию за счёт повышения эксплуатационных свойств изделий в 1,5 - 2,5 раза.

Результаты работ внедрены в реальное производство на более чем 20 предприятиях России и ближнего зарубежья.

О.А.О. Синарский трубный завод, г. Синара, Свердловской обл., внедрена установка для ультразвуковой обработки восстановленных валов; ООО «НПФ «Мехкомплектация», С-Петербург, внедрена установка ультразвуковой обработки посадочных шеек валов, пальцев; О.А.О. «Брестгазоаппарат», республика Беларусь, внедрена ультразвуковая установка для комбинированной обработки наружных и внутренних поверхностей изделий направляющих узлов штампов; Завод «Спецэлектромагнит» г. Комсомольск, Ивановской области, внедрена установка по обработке пары «воротник-якорь»; Акционерная компания «АЛРОСА», Ремонтно-строительное специализированное управление, г. Мирный, Республика Саха (Якутия). Внедрена ультразвуковая установка для обработки шеек валов под сальники, сальниковые набивки, посадочные места подшипников, валы насосов ЦНС.

По отзывам предприятий, в результате внедрения разработанного ультразвукового оборудования и методики контроля, срок службы деталей увеличился в среднем в два раза.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Методика контроля с использованием разработанного стенда для измерения амплитуды ультразвуковых механических колебаний на холостом режиме и при различных усилиях давления на работающий инструмент;

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

3. Установление зависимости шероховатости и упрочнения поверхности от величины амплитуды механических колебаний инструмента, определение оптимальных величин амплитуды;

4. Разработка методики контроля и оценки изменения шероховатости и поверхностной микротвёрдости, в результате ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки на различных режимах, с использованием профилографа фирмы Taylor Hobson precision и автоматической системе измерения твердости по Викерсу, OmniMet МНТ

5. Экспериментальное установление зависимости шероховатости и упрочнения поверхности от величины давления индентора на обрабатываемую поверхность, определение оптимальных величин давления;

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах:

1.Ha 12 международной выставке - конгрессе «Высокие технологии, инновации, инвестиции ». С-Петербург, 02-05 октября 2007 г.

2. На международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab View и технологии National Instruments». Москва, 23-24 ноября 2007 г,

3. На 3-ем Национальном конгрессе «Приоритеты развития экономики, новая экономическая политика-стратегия развития России до 2020г». Москва, Президент-Отель, 08-09 ноября 2008г.

4. На 2-ом С-Петербургском конгрессе «Профессиональное образование, наука, инновации в 21 веке». С-Петербург, 14-15 ноября 2008г.

5. На межрегиональной научно-методической конференции «Инновационные технологии в образовательной деятельности». С-Петербург, 15-16 апреля 2009 г.

6. На 8-ой Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». Москва, 18-20 марта 2009 г., CK «Олимпийский»

7. На конкурсе инновационных проектов в сфере науки и высшего образования С-Петербурга в 2008г. разработка автора «Оборудование для ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки поверхностей металлических изделий» признан победителем в номинации «Лучший инновационный продукт» в направлении «Индустрия нано-систем и материалов». Награждён дипломом и ценным призом Комитета по науке и высшей школе.

Результаты работы обсуждались на семинарах кафедры приборов контроля и систем экологической безопасности и кафедры технологии материалов и сварки СЗТУ, а также были использованы при разработке учебно-экспериментальных пособий, для проведения лекционно-практических занятий по курсу дисциплин кафедры.

Публикации. По теме диссертации опубликовано десять научных печатных работ, в том числе две в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, изложена на 152 - страницах машинописного текста, содержит 53 - рисунка, 7- таблиц и 98 - наименований литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

Рис. 1. Профиль шероховатости, характеристики и параметры

Более полное использование резерва повышения качества поверхностного слоя можно получить заменой статического метода поверхностного деформирования импульсным, с наложением ультразвуковых колебаний на инструмент. Начало данному направлению обработки положено проф. А.И. Марковым и проф. Мухановым.

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.

I

Рис. 2. Шероховатость поверхности и процесс измерения шероховатости.

Во второй главе 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. Таблица 1.

Сравнительные данные микротвердости - НУ и шероховатости - Г<а, полученные после обработки шариком ОШ и УЗУФО.

Таблица 1

Обрабатываемый материал НУ Яа, мкм

исходная ОШ УЗУФО исходная ОШ УЗУФО

Сталь 35 222 310 318 3,2 0,2 0,12

Сталь 45 243 337 340 3,2 0,25 0,16

а)

б)

Рис. 3. Сравнительные графики НУ и К а после обработки шаром и ультразвуком

а) показатели микротвёрдости - НУ; б) показатели шероховатости - Ла; Из графика Рис. 3. видно, что при ультразвуковой обработке получаемые результаты Яа и НУ лучше, чем при обработке шаром.

На экспериментальных образцах исследования шероховатости поверхности проводились на профилографе. Исследования твёрдости проводились на ручном микротвердомере и на автоматической системе измерения твердости, входящих в комплекс для подготовки образцов изделий для исследования твёрдости и структуры металла.

Проведено физическое моделирование воздействия контактного рабочего инструмента на обрабатываемую поверхность Рис. 4.

обрабатываемую поверхность.

При ультразвуковом воздействии в поверхностном слое происходят сложные процессы: наложение знакопеременных нагрузок на статическую ; нагрузку, локальное поглощение ультразвуковой энергии, что в конечном итоге I приводит к изменению течения металла и облегчению пластического | деформирования и как следствие малой шероховатости, упрочнённого слоя и | сжимающих остаточных напряжений на обрабатываемой поверхности изделия.

Большой вклад в развитие ультразвуковых технологий внесли проф. А.И. Марков, проф. Муханов И.И., проф. Волков С.С., проф. Холопов Ю.В., д. т. н. Петушко И.В., японский учёный Д. Кумабэ и др. учёные.

В третьей главе приведены методические принципы контроля и управление процессами ультразвуковой поверхностной обработки металла.

При ультразвуковой обработке возможен: контроль за технологическими параметрами процесса, результатами ультразвукового воздействия, стабилизация параметров и результатов обработки.

Применение мощного ультразвука в разнообразных технологических процессах основано на нелинейных эффектах, реализующихся при распространении этих колебаний в среде. Практическое использование мощного, технологического ультразвука во многом определяется техническими возможностями создания и передачи в обрабатываемую зону колебаний определенной мощности (Р), амплитуды (£) и частоты©. 1

Колебательная система является основным узлом ультразвукового технологического оборудования.

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.

Расчёт ступенчатого волновода-концентратора:

Ь = ¥/2/- резонансная длина, где Г - резонансная частота;

и

Х0 = /4 " положение узловой плоскости - место крепления волновода Ку = Ы2 - <°/с1) , - коэффициент усиления амплитуды смещения

б) Расчёт конического волновода-концентратора: £ - > где ^ ~ корни уравнения

~ 2П

, , Ы 2П = 1 + («)2^(1-Л')2 5 т волновое число.

Ку^1+(2П/Л)2.

в) Расчёт экспоненциального волновода-концентратора: КУ = И;

г) Расчёт катеноидального волновода-концентратора:

_ JL ¡WLf+{ArchNf е= ^Z^ = 1^геАДГ; 2/V П2 i

11 ~

где Dud- диаметры входного и выходного торцов волноводов Схема ввода акустической энергии в зону обработки апробирована в предварительных работах по УЗУФО. Индентор из твёрдого сплава (ВК8) жестко соединяется со сменным наконечником.

процесса ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки Основные узлы ультразвукового технологического оборудования: 1 - пьезокерамические кольца, 2 - концентратор, 3 - волновод-концентратор, 4 - индентор, 5 - регулятор давления, 6 - демпфер, 7 - узел крепления, 8 - деталь

Разработан и изготовлен ультразвуковой полуволновый пьезокерамический преобразователь.

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

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

Важным узлом колебательной системы пдля 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.

Технологическое устройство предназначено для крепления колебательной системы в резцедержателе станка, для направленного и регулируемого усилия воздействия на обрабатываемую поверхность изделия, позволяющего проводить контролируемую, управляемую обработку.

Как источник энергии для питания электрических преобразователей используются ультразвуковые генераторы. В настоящем исследовании источником питания пьезокерамического преобразователя являлся ультразвуковой генератор УЗГ - 200/22 с выходной мощностью 200 Вт., рабочей частотой 22 ± 1,3 кГц. Стабильные выходные параметры, независимо от изменения нагрузки, обеспечиваются с помощью системы АПЧ (автоподстройки частоты), имеющийся в нашем ультразвуковом генераторе УЗГ - 200/22. Стабильность параметров позволяет получать качественный технологический результат.

В четвертой главе представлена исследовательская часть диссертационной работы. Проведена экспериментальная работа по УЗУФО и контроля параметров 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. Разработанный комплект ультразвукового оборудования для проведения экспериментальной обработки обеспечивает основные параметры в следующих пределах:

-акустическая мощность Р(Вт) - 200 -рабочая частота £(кГц) - 22

-амплитуда ультразвуковых колебаний инструмента Е, мкм - (1,5...10) -

радиус индентора г = 4 мм

-усилие давления индентораР(Н) - (50... 400)

Программа исследований включала в качестве основного звена оценку эффективности ультразвуковой обработки за счет контроля основных параметров, контроля шероховатости и упрочнённого слоя исследуемых образцов. Одной из задач являлось установление обратной связи между

изменением шероховатости и переменными параметрами ультразвукового воздействия.

миллиметры

а)

б)

Рис. 6. Профилограмма шероховатости поверхности

а) исходная шероховатость Яа 3,2

б) шероховатость после УЗУФО Яа 0,05

Второй задачей являлось установление обратной связи между изменением величины упрочнения и переменными параметрами ультразвукового воздействия.

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

Проведена исследовательская, экспериментальная работа по улучшению поверхностной структуры изделий методом УЗУФО, контроля основных параметров.

На токарном станке нормального класса точности мод.1А616 проточили в центрах, 11 образцов диаметром (1=30мм. и длиной Ь=200мм., материал ст.45 Режимы обработки (точения): п = бЗОоб/мин. Б = 0,12мм/об. Затем на этом-же станке установили комплект УЗУФО и обработали 170мм. длины образцов на различных режимах. После образцы прошли исследования по шероховатости и упрочнению, Таблица 2.

Зависимость величин шероховатости-Яа. упрочнения-Ну и глубины упрочненного слоя-Ь от усилия давления индентора-Р _Таблица 2

Усилие давления индентора Р(Н) Шероховатость Яа (мкм) Упрочнение НУ (%) Глубина упрочненного слоя Ь(мм)

0 3,2 0 0

80 0,8 15 0,10

120 0,4 28 0,20

160 0,2 42 0,35

200 0,1 59 0,51

250 0,05 80 0,70

260 0,05 83 0,73

270 0,05 84 0,74

280 0,06 84,2 0,74

290 0,08 84 0,735

300 0,2 83 0,71

330 6,3 20 0,5

Рис. 7. Графики зависимости шероховатости и упрочнения обработанной поверхности от усилия давления индентора при УЗУФО а) шероховатости, б) упрочнения

Экспериментальные данные показали, что основными параметрами ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов являются: усилие давления инструмента - Р, амплитуда колебаний инструмента - радиус индентора - г.

® Подогнанная поверхность; Перемен.: ЯаУЗО - |п[ х|

Подогнанная покерхность; Перемен.: RaV30 2 факторы, 1 Блоки; OoTaro4H,SS=2.022731 ЗП: йаУЗО

Карта Паре то стандартмзо»анныхзффекто>; Перемен.: ИаУЗО 2 факторы. 1 Блоки; Остаточн.35=2.022731 ЗП: ВаУЗО

р=,05

Оценка эффекта (абсолютное значение)

Рис. 8. График поверхности отклика I Карта Парето стандартизованных эффектов; Перемен.; ИаУЗО

(1№

(2)Яаис><1-)

1LHa2L

Rano><Q)

,747732

@ Подогнанная поверхность; Перемен.: НЛЗО - ]□] X

Подогнанная поверхность; Перемен.: НуУЗО 2 факторы. 1 Блоки; Остаточн.ЗЗ=.29В8147 ЗП: Н¥УЗО

Шю

Рис. 10. График поверхности отклика__

@ Карта Парето стандартизованных аффектов; Перемен.: №У30 - |о| х

Р(О) С2)Яаис><1.) (1)Р(Ц Каио><0) 11.на2|_

Карта Парето стандартизованныхэффектов Перемен.: НЛЗО 2 факторы. 1 Блоки; Остлточн.ЗЗ=.29е8147 ЗП: ШУЗО

Оценка эффекта (абсолютное значение)

Проведён углублённый анализ экспериментальных данных шероховэтости-Ra, величины упрочнения-Hv и глубины упрочнённого слоя-h, в среде программы «Statistica». На основе экспериментальных данных построена математическая модель, адекватно описывающая процесс. График поверхности отклика (Ra), Рис. 8. Адекватность математической модели (Ra) подтверждена на диаграмме Парето Рис. 9. График поверхности отклика (Hv), Рис. 10. Адекватность математической модели (Hv) подтверждена на диаграмме Парето Рис. 11. Математическая модель позволила определить оптимальные параметры ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки для получения минимальной шероховатости, максимальной величины и глубины упрочнения. Оптимальные величины этих параметров: Р=260 Н, с, =2,5 мкм, г=4 мм.

Контроль шероховатости поверхности на образцах после ультразвуковой обработки, обработанных при различных усилиях давления индентора производился на измерительном комплексе фирмы Taylor Hobson.

а) б)

Рис. 12. Измерительный комплекс для измерения шероховатости-а) и обработанный образец-б);

Микротвёрдость образцов, обработанных УЗУФО, замерялась на автоматической системе измерения твердости по Викерсу, ОтшМе1

Комплекс для подготовки образцов изделий для исследования твёрдости и структуры металла, фирма BUEHLER

Подготовка образцов изделий для исследования твёрдости и структуры металла проводился в следующей последовательности:

1. Отрезка образца от обработанной детали, необходимой длины, 10 мм. Для отрезки образца от изделия применялся абразивный отрезной станок с орбитальным принципом резки, входящий в комплекс. Отрезной станок использует орбитальный принцип резки.

2. Холодная заливка образца в специальные формы.

Отрезанные образцы заливаются в специальную форму, способом холодной заливки.

3. Шлифовка и полировка исследуемой торцевой поверхности образцов.Образцы, залитые в специальную форму, устанавливаются в держатель шлифовально-полировального станка.

Большой вес и звукопоглощающие свойства, практически, исключают образование нежелательных вибраций.

4. Измерение твёрдости по Викерсу.

ОтшМе! Автоматическая система измерения твердости по Викерсу. Компьютерные системы измерения твердости позволили осуществлять тесты на твердость под управлением компьютера с минимальным участием пользователя. Контроль и измерение микротвердости выявило постоянное увеличение твердости от приповерхностного слоя на глубине 0,74 мм. к поверхности на 84.2%.

Рис. 13. Автоматическая система измерения твердости по Викерсу.

В пятой главе изложены основные результаты, область применения и перспективы развития результатов диссертационной работы.

В процессе экспериментальной работы, используя разработанную методику контроля режимов ультразвуковой обработки и контроля входных и выходных параметров изделия, удалось достигнуть следующих результатов, -шероховатость поверхности 11аисх (6,3-1,6) - Каузо(0,1- 0,05), -повышение микротвёрдости на 50 - 60% -глубину упрочнения до 0,8 мм, Убедились, что при ультразвуковой обработке возможен контроль и регулировка основных параметров: амплитуды (?), частоты®, давления (Р). Устанавливая определённую величину давления инструмента, получаем желаемую величину шероховатости и упрочнения поверхности, Рис. 14.

Как видно из сравнительной картины при силах прижима инструмента Р = 80(Н) выглаживаются только вершины выступающих неровностей.

Например: для получения шероховатости поверхности Яа 0.4, мы устанавливаем, с помощью разработанного технологического устройства, величину давления 160(Н).

Для получения шероховатости поверхности Яа 0.05, мы устанавливаем, с помощью технологического устройства, величину давления 260(Н).

Яа 6,3

\ А /1 А

Яа 1,6

Яа 0,8

Яа 0.4

МЛЛЛЛ ЛЛАЛГЛ шмм^

0(Н) Яа 0,25

80 (Н) Яа 0,13

120 (Н) Яа 0,05

160 (Н) Яа 3,2

200 (Н)

230 (Н)

260 (Н)

330 (Н)

Рис. 14. Сравнительная картина изменения параметров шероховатости и поверхностной микротвёрдости при различных усилиях давления-Р(Н) индентора на обрабатываемую поверхность.

Устанавливая определённые режимы обработки возможно изготавливать детали с необходимым микрорельефом и физико-механическими свойствами поверхности, соответствующих требованиям условий эксплуатации изделий.

Методики контроля параметров ультразвуковой обработки металлов и контроля входных и выходных параметров состояния поверхности позволила повысить качество финишной обработки изделий и, как следствие, надёжность и долговечность работы машин.

Полученные результаты говорят о том, что способ УЗУФО позволяет во многих случаях, исключить операцию шлифования, полностью исключить ручные доводочные операции абразивными шкурками и пастами, в некоторых случаях исключить термообработку. А также исключить внутрицеховую транспортировку деталей, экономить производственные площади, улучшить экологию и повысить культуру производства.

Таким образом, способ ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов, контроль основных параметров показывает, что широкое использование этой технологии в машиностроении, судостроении, авиакосмической, автотракторной и других отраслях промышленности позволит осуществить интенсификацию производственных процессов, повысить качество и надежности изделий.

Основные результаты диссертационной работ

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

2. Разработана методика контроля влияния различных параметров ультразвуковой обработки, установлены их оптимальные величины (г=4 мм., Р=260 Н., £, =2,5 мкм.,) для получения малой шероховатости и максимального упрочнения обработанной поверхности;

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

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

5. Разработан и изготовлен ультразвуковой пьезокерамический преобразователь с необходимыми мощностными и амплитудно-частотными характеристиками.

6. Разработана и изготовлена ультразвуковая колебательная система с необходимыми мощностными и амплитудно-частотными характеристиками для проведения ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов (Р=200 вт., £=22 кГц., £=2,5-3 мкм.).

7. Определена и обоснована конструктивная форма и размер индентора (полусфера, г=4 мм.);

8. Разработана методика контроля и оценки изменения шероховатости и поверхностной микротвёрдости в процессе ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки с использованием профилографа и микротвёрдомера;

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

10. Экспериментально установлена зависимость шероховатости и упрочнения поверхности от величины давления индентора на обрабатываемую поверхность, определены оптимальные величины давления (Р=250-270 Н);

11. Разработана методика контроля шероховатости контактно-щуповым методом и упрочнения поверхности методом внедрения алмазной пирамиды.

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

Подано три патента:

- ультразвуковой преобразователь, заявка № 2010100031,11.01 2010г.

- ультразвуковая колебательная система, заявка № 2010100425, 11.01 2010 г.

- способ подготовки крахмалосодержащего сырья при производстве лимонной кислоты, заявка № 2009 139586/13(№056114), 26.10.2009 г.

Основные положения и научные результаты опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

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

2. Петушко И.В., Дроздецкий Ю.Н., Палаев А.Г. Новый станок УЗОС2-1,0/22 для ультразвуковой размерной обработки. Металлообработка Na 1(25), Санкт-Петербург, 2005 г., С. 43-45.

Статьи и материалы конференций

3. Палаев А.Г. Резание материалов с использованием ультразвука. Инструмент № 3, Санкт-Петербург, 1996 г., С. 29.

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

5. Палаев А.Г. Реализация ультразвуковых технологий - прорыв в машиностроении. Сборник трудов Второго Санкт-Петербургского конгресса «Профессиональное образование, наука, инновации в 21 веке». Санкт-Петербург, 14-15 ноября 2008г, С. 210-213.

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

7. Потапов А. И., Палаев А.Г., Сборник трудов Третьего Национального конгресса «Приоритеты развития экономики, новая экономическая политика-стратегия развития России до 2020г». Москва, Президент-Отель, 08-09 ноября 2008г.

8. Потапов А.И., Глущенко О.Н., Зинченко А.Г., Палаев А.Г. Математическое моделирование при подготовке выпускных квалификационных работ по специальности «Оборудование и технология сварочного производства» Материалы межрегиональной научно-методической конференции «Инновационные технологии в образовательной деятельности». Санкт-Петербург, 15-16 апреля 2009 г., С. 133.

9. Кимстач A.B., Палаев А.Г. Влияние плотности дислокаций в сварных соединениях низколегированных сталей типа 10ХСНД и 09Г2С на прочность конструкции. Проблемы машиноведения и машиностроения: Межвузовский сборник.- СПб.: СЗТУ, 2004.- Выпуск 32.- С. 107-110.

10. Кимстач A.B., Палаев А.Г. Исследование рентгенографическим методом остаточных напряжений при диагностировании сварных соединений низколегированных сталей. Проблемы машиноведения и машиностроения: Межвузовский сборник, СПб, СЗТУ, 2004.- Выпуск 32.- С. 111-114.

ПАЛАЕВ АЛЕКСАНДР ГРИГОРЬЕВИЧ

КОНТРОЛЬ ШЕРОХОВАТОСТИ И УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ, ОБРАБОТАННЫХ

УЛЬТРАЗВУКОМ

Автореферат

Лицензия ЛР № 020308 от 24.02.97. Подписано в печать 12.02.10 г. Формат 60x841/16

Б.Кн.-журн. Пл. 1,0 Б.л..0,5 Издательство СЗТУ

Тираж 100 Заказ 2132

Северо-Западный государственный заочный технический университет

Издательство СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга

191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5