автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение износостойкости деталей пар трения путем выбора рациональных технологических параметров ультразвуковой упрочняющей обработки

На правах рукописи

004btfb.il и

СКОБЕЛЕВ СТАНИСЛАВ БОРИСОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПАР ТРЕНИЯ ПУТЕМ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О

['ЮН 2010

Омск-2010

004606210

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» (ГОУ ВПО ОмГТУ).

Научные руководители:

доктор технических наук [Телевной Алексей Васильевич

кандидат технических наук, доцент Масягин Василий Борисович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мозговой Иван Васильевич

кандидат технических наук, доцент Ражковский Александр Алексеевич

Ведущая организация:

ОАО «НИИ технологии, контроля и диагностики железнодорожного транспорта», г. Омск

Защита состоится «30» июня 2010 г. в 14 час. 00 мин, на заседании диссертационного совета Д 212.178.05 при Омском государственном техническом университете по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, ауд. 6-340.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет».

Отзывы в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просьба направлять по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, Диссертационный совет Д 212.178.05.

Факс: (3812) 656492, e-mail: dissov_omgtu@omgtu.ru Автореферат разослан «2Я » мая 2010 года

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н., доцент ^/¿¿s&z*?**?? Масягин В.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ультразвуковая упрочняющая обработка (УУО) -один из методов поверхностного пластического деформирования (ППД). Благодаря данному методу возрастает микротвердость поверхностей, уменьшается шероховатость, улучшается совместимость материалов деталей пар трения, снижается износ во время приработки.

Разработанные, исследованные и внедренные в практику в 1972 г. д.т.н., A.B. Телевным основы модифицирования поверхностного слоя на основе объемной микропластичности, и созданный на их основе метод ударно-акустической обработки (УАО), являющийся разновидностью УУО, обеспечили внедрение в серийное производство авиационной и космической техники, а также в ремонтное производство для автомобильной промышленности механических систем для УУО. Однако в настоящее время отсутствует четкая методика назначения режимов УУО при обработке поверхностей деталей пар трения.

Учитывая возрастающие требования к качеству и необходимость обеспече-. ния долговечности деталей в процессе эксплуатации, являются актуальными исследования, направленные на разработку методики назначения рациональных режимов обработки, при которых обеспечивается высокая износостойкость поверхностного слоя, и разработку методики проектирования технологической операции УУО.

Объект исследования. Процесс УУО с одновременным нанесением твердого смазочного покрытия и качество рабочих поверхностей и поверхностного слоя деталей после обработки.

Цель работы. Повышение качества, износостойкости рабочих поверхностей деталей пар трения путем назначения рациональных технологических параметров УУО с одновременным нанесением твердого смазочного покрытия.

Задачи работы.

1. Разработать расчетные схемы контакта индентора и обрабатываемой поверхности детали при УУО.

2. Разработать формулы для нахождения параметров площадки контакта инструмента и детали от геометрических параметров инструмента и детали и свойств материала детали. Получить зависимости подачи инструмента, частоты вращения заготовки, статической силы прижима инструмента от параметров площадки контакта инструмента и детали, позволяющие назначать технологические режимы обработки, при которых достигается высокая износостойкость обрабатываемой поверхности.

3. Провести экспериментальные исследования влияния режимов УУО на износостойкость деталей пар трения и определить на их основе рациональные режимы УУО, обеспечивающие высокую износостойкость деталей пар трения.

4. Разработать методику проектирования операции УУО.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе научных положений технологии машиностроения, трибологии, теории планирования эксперимента и математического моделирования. Экспериментальные

исследования проведены с использованием лабораторной контрольно-измерительной аппаратуры и оборудования.

Научная новизна:

1. Разработаны формулы для определения параметров развертки площадки контакта ультразвукового инструмента и детали, полученные на основе рассмотрения их взаимодействия в зависимости от геометрических параметров и свойств материала детали; получена зависимость для нахождения развертки фактической площади контакта ультразвукового инструмента и детали при обработке.

2. Получены зависимости для подачи инструмента, частоты вращения шпинделя, включающие характеристики регулярного микрорельефа - величины коэффициентов перекрытия (обработанности), позволяющие назначать технологические режимы обработки, при которых достигается высокая износостойкость обрабатываемой поверхности.

3. Установлены экспериментальные зависимости износостойкости обрабатываемых поверхностей деталей от параметров УУО с внедрением твердой смазки, и от значений общего коэффициента обработанности, и подобраны на их основе рациональные технологические режимы обработки.

Практическая ценность.

1. Разработана методика проектирования операции УУО с внедрением твердой смазки.

2. Разработана компьютерная программа по расчету режимов УУО.

Достоверность результатов исследования. Результаты работы получены с

использованием статистических методов обработки экспериментальных данных, адекватность экспериментальных моделей проверена по t-критерию Стьюдента.

Реализация результатов работы. Результаты научных исследований рекомендованы к внедрению в виде методики назначения рациональных режимов обработки в ОАО «НИИ технологии, контроля и диагностики железнодорожного транспорта».

Представленные в диссертационной работе исследования связаны с выполнением аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2006 - 2008 г.).

Основные положения диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры «Технология машиностроения» ОмГТУ при курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Материалы исследований доложены и обсуждены на научных семинарах и расширенном заседании кафедры «Технология машиностроения» (ОмГТУ, Омск) в 2008 - 2010 г.г.; III Международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Омск, 2007); IV Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения» (Омск, 2007); VI Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2007); Юбилейной межвузовской научно-практической конференции аспирантов, студентов и молодых исследователей «Теоретические знания - в практические дела» (Омск, 2008);

на научных семинарах кафедры «Общая технология машиностроения» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, (Барнаул, 2008-2009).

Публикации. По материалам теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 10 работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 101 наименования, 2 приложений.

Работа содержит 149 страниц, в том числе 128 страниц основного текста, 44 рисунка, 21 таблицу и приложения на 10 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых в работе исследований, приводится общая характеристика работы, сформулированы научная новизна и практическая ценность.

В первой главе проведен анализ состояния проблемы, сформулированы цели и задачи исследования.

Метод УУО с внедрением твердой смазки применяют в целях повышения микротвердости поверхностного слоя, обеспечения необходимого параметра шероховатости, обеспечения конструкционной прочности, повышения совместимости материалов. Сущность метода состоит в том, что стальной или твердосплавный шарик или ролик, жестко связанный с концентратором ультразвукового преобразователя, ударяет по упрочняемой поверхности с частотой 18 - 22 кГц и одновременно с этим вдавливается в поверхность под постоянным давлением, создаваемым грузовым натяжным устройством. При наложении на боек (шарик или ролик) колебаний ультразвуковой частоты процесс упрочнения значительно интенсифицируется, что позволяет при весьма малых статических усилиях нагруже-ния обеспечить высокие эксплуатационные характеристики обработанных поверхностей.

Основам теории и практики методов ППД и, в частности, ультразвуковой упрочняющей обработки и их влияния на износостойкость посвящены работы исследователей В.П. Гилеты, И.И. Муханова, Х.М. Рахимянова, К.Л. Панченко, Н.В. Олейника, Л.Я. Попилова, Э.В. Рыжова, И.Г. Хорбенко, Е.Г. Коновалова, A.B. Телевного, Б.А. Артамонова, Г.В. Гурьева, М.С. Дрозда, C.B. Пинегина, Д.Д. Папшева, В.М. Браславского и других.

Анализ работ показал, что исследования в области управления процессом УУО охватывают все стороны проблемы: оборудование, инструмент, методы контроля качества поверхности, результаты экспериментальных исследований влияния параметров процесса на износостойкость, подбор компонентов твердой смазки. Однако не уделено достаточно внимания управлению процессом обеспечения геометрических и триботехнических параметров обработанной поверхности, определению на основе геометрических параметров обработанной поверхности вы-

ражений для нахождения рациональных режимов обработки. Отсутствует методика проектирования операции УУО.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям возможности управления геометрическими параметрами обработанной поверхности, расчету геометрических параметров теоретической и фактической площадки контакта инструмента и заготовки и методике назначения режимов (подачи инструмента, частоты вращения заготовки, статической силы) в зависимости от коэффициентов перекрытия и обработанное™, физико-механических свойств материала.

УУО является многофакторным процессом. Т.е. управление данным процессом включает в себя не только управление режимами и условиями обработки, но и управление промежуточной средой - твердой смазкой, которое выражается в изменении ее компонентов для получения желаемых результатов, расчетом и конструированием инструмента для обработки (рис. 1).

Рисунок 1 - Структурная схема управления процессом УУО с внедрением твердой смазки

В данную схему (рис. 1) включены следующие основные факторы: а) параметры детали: вид поверхности (наружная цилиндрическая, внутренняя цилиндрическая, торцевая), диаметр обрабатываемой поверхности с?, длина

поверхности /, исходная микротвердость HVUCX, исходная шероховатость Rauac, предел текучести материала детали ат\

б) параметры инструмента: вид инструмента (для обработки наружной или внутренней поверхности), вид индентора (сферический или цилиндрический ин-дентор), радиус индентора R;

в) параметры твердого смазочного покрытия: соотношение компонентов -дисульфида молибдена M0S2 и керосина;

г) режимы и условия обработки: подача s, частота вращения детали и, статическая сила прижима инструмента Рст, число проходов /, частота/и амплитуда

колебаний ультразвукового инструмента.

Определены параметры площадки контакта ультразвукового инструмента и заготовки. Задача определения параметров площадки контакта инструмента и заготовки отражена в работах М.С. Дрозда, C.B. Пинегина, Г.В. Гурьева. Предлагаемая расчетная схема внедрен™ инструмента в поверхность заготовки (рис. 2) отличается рассмотрением развертки линии пересечения цилиндрического индентора и цилиндрической поверхности детали. При проведении развертки обрабатываемой поверхности площадка контакта будет представлять из себя эллипс, который имеет малую а и большую b полуоси (рис. 3).

Рисунок 2 — Расчетная схема внедрения инструмента в поверхность заготовки и развертка обрабатываемой поверхности заготовки: 1 - заготовка; 2 - индентор; а - малая полуось площадки контакта; Ь - большая полуось площадки контакта

ь

Рисунок 3 - Развертка обрабатываемой поверхности заготовки

На основе расчетной схемы получены формулы для определения малой и большой полуосей площадки контакта:

где Л/ - радиус индентора, мм; к - глубина внедрения индентора в поверхность заготовки, мм; - радиус обрабатываемой поверхности заготовки, мм. Глубина внедрения й определяется по формуле М.С. Дрозда:

где Я„р - приведенный радиус поверхностей контактирующих тел, мм. Значения приведенного радиуса Япр не зависят ни от контактной нагрузки, ни от химического состава и физико-механических свойств материала деформируемых тел, а полностью определяются начальными геометрическими параметрами тел в зоне их контакта; НД - пластическая твердость материала обрабатываемой детали, представляющая собой модуль упрочнения материала при вдавливании в него сферического пуансона, Н/мм2 (твердость по Виккерсу НУ и пластическая твердость НД связаны соотношением: НД~1,22 НУ)\ Ра„ - статическая сила прижима инструмента к обрабатываемой поверхности детали, Н.

На основе известной зависимости Папшева Д.Д. получена зависимость для нахождения фактической площади развертки площадки контакта инструмента и заготовки при УУО, т.е. площади образующейся с учетом изменения положения инструмента между соударениями на величину продольной подачи 5 и сдвига площадки контакта в окружном направлении / (рис. 4):

а = Л/2/г1Л-й2 «^/гЛ./г , мм

0) (2)

Ъ = ф.К2И , мм

(3)

где апЬ- размеры малой и большой полуосей площадки развертки контакта инструмента и заготовки, мм; 5 - продольная подача инструмента, мм/об; / -величина сдвига площадки развертки контакта в окружном направлении, мм.

к

а

0.5.Г

Рисунок 4 - Определение фактической площади развертки контакта инструмента и заготовки при УУО

В работе приведены расчетные схемы для определения подачи инструмента (рис. 5).

При обработке определенная часть площадки контакта перекрывается последующей. Чтобы отобразить величину перекрытия, вводится соответствующий коэффициент К„. Коэффициент перекрытия в направлении подачи:

Для варианта, представленного на рис. 5 (а), Кп"-0-, для варианта на рис. 5(6) К,?=¡/2; для варианта на рис. 5 (в) К„'=3/4.

Рисунок 5 - Расчетные схемы для определения продольной подачи инструмента при расположении площадок контакта: а - без перекрытия; б - с перекрытием на половину; в - с перекрытием на три четверти

Из формулы (5) определяется продольная подача ультразвукового инстру-

мента:

5 = 2^/2 • Л, • А • [1 - ЛГИ5 ],

мм/об

(6)

С целью определения зависимостей для нахождения частоты вращения заготовки разработаны расчетные схемы, отображающие взаимное расположение площадок контакта в окружном направлении (рис. 6).

Рисунок 6 - Расчетные схемы для определения частоты вращения заготовки при расположении площадок контакта: а - без перекрытия; б—с перекрытием на половину; в - с перекрытием на три четверти

Для нахождения частоты вращения заготовки вводится величина коэффициента перекрытия в окружном направлении К„", определяющий, какая часть площадки контакта в окружном направлении перекрывается соседней.

к: =1-

2 Ъ

(7)

где Дг - радиус заготовки, мм; а — угол поворота заготовки между двумя соударениями, рад; Ь - большой радиус площадки контакта, мм, вычисляемый по формуле (2).

Коэффициент перекрытия в окружном направлении, для варианта, представленного на рис. 6 а, КпП:=0; для варианта на рис. 6 б, Кп"=1/2; для варианта на рис. 6 в, Кп"=3/4.

Из формулы (7) определяется общая формула для определения частоты вращения:

г 1

« = -Г--I1 ~ к »I , об/мин

ЯЛ,

(В)

где Я2 - радиус обрабатываемой поверхности детали, мм;/- частота магни-тосгрикционного преобразователя, Гц; О - диаметр обрабатываемой поверхности детали, мм.

Коэффициент перекрытия не имеет ярко выраженного физического смысла, поэтому от коэффициента перекрытия выполнен переход к обратному коэффициенту, отражающему количество ударов инструмента, в среднем приходящееся на единицу поверхности детали, ограниченную одним пятном контакта - коэффици-

ю

енту обработанное™ Я. Коэффициенты обработанности в направлении продольной подачи Ь и в окружном направлении Х„ имеют вид:

1

А, =-

1

\-кь„ ' " 1-л-; (9)

Получены выражения для определения расчетных значений подачи и частоты вращения с учетом коэффициентов обработанности:

о 2-^2Л, -А 60/-Л5И

с--^—!----(10)

Общий коэффициент обработанности имеет вид:

я ___L_

(Ц)

Общий коэффициент обработанности отображает суммарное количество ударов инструмента, приходящееся на единицу поверхности детали, ограниченную одним пятном контакта.

Таким образом, при варьировании значений коэффициентов перекрытия и обработанности происходит управление основными технологическими параметрами обработки (подача, частота вращения).

Важным параметром, зависящим как от свойств обрабатываемого материала, так и от режимов обработки является величина Рш - статическая сила прижима инструмента. Расчетная схема для определения Рт представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Расчетная схема для определения статической силы прижима инструмента Рст

Величина - объема материала, деформируемый при каждом ударе инструмента, определяется по формулам:

2 = (12)

или

Fk-h =

P^-h

(13)

где Рь - фактическая площадь развертки площадки контакта инструмента и заготовки, мм2; ат - предел текучести деформируемого материала, Н/мм .

Подставив в формуле (13) вместо формулу (4), получаем выражение для нахождения величины Рст в зависимости от значений коэффициентов перекрытия:

Рст= 1,33/2 Н (14)

где к - глубина внедрения инструмента в поверхность детали, мм; аТ— предел текучести материала детали, Н/мм2.

В работе получены формулы для нахождения основных параметров УУО -статической силы прижима Рст, подачи ультразвукового инструмента частоты вращения заготовки п при обработке наружной цилиндрической, внутренней цилиндрической и торцевой поверхности деталей (таблица 1).

Таблица 1 - Расчет основных параметров УУО при обработке наружной цилиндрической, внутренней цилиндрической и торцевой поверхностей

Наружная цилиндр, пов-ность

Внутр. цилиндр, пов-ность

Торцевая пов-ность

Л? 5

Продольная подача ультразвукового инструмента мм/об

5 = 2 ^/2«, Р

Э =2-л1щИ-\\-К*] (С)

Поперечная подача Л,,.», улътрэ-звукового инструмента, мм/об

$ = 2-рИгй-[1-К5„] (6)

8,1 бтгЯ • НД

(15)

й = -

7,56 пЯ„-Щ

(16)

Л = -

2яЛ, -НД

(17)

Частота вращения заготовки п, об/мин

6 ог-

1-

[1-^1(18)

60/.

[)-л:](19)

Щр

где К*? - средний радиус обработки; при обработке торцевой поверхности без внутренней цилиндрической поверхности Яср=Я/2, при обработке торцевой поверхности с внутренней цилиндрической поверхностью

Статическая с ада прижима ультразвукового инструь «ента Р„, Н

хН'-^Г- Ч|Н2-Л> ^ *] (22)

На основе анализа литературных источников определены области значений коэффициентов перекрытия и обработанное™ при УУО с внедрением твердой смазки (Телевной A.B.) и при УУО без внедрения твердой смазки (Муханов И.И.), для значений подачи и частоты вращения при следующих режимах: S=0,10 мм/об; 0,14 мм/об; 0,17 мм/об и п=20 об/мин; 50 об/мин; 80 об/мин, 315 об/мин, 400 об/мин, 500 об мин, Рст=80 Н, материал образцов сталь 45 (HV 203) (рис.8, а и б).

Кт

0.995

0.992 0.970

0.962

0953

m

/п& снизил// Щ//,

^ЯгЬу^

ЧЧдЗ г>схь\\

500 200 125

ЯП 26.32

2123

-Ksn

щт

\£ß 6t! ^у

\тй стаяЛ

г,....... ]

а)

Т . .

Жнп б)

i\—_ ? м h

Рисунок 8 - Области значений коэффициентов: а) перекрытий К5П и Кпп; б) : обработанное™ и Я„

Расчет производился по формулам (3), (6), (8). Значения коэффициентов перекрытия К„ при УУО с внедрением твердой смазки для стали 45, соответствующие указанным выше режимам, должны находиться в области от 0,653 до 0,796; К" - от 0,992 до 0,998; коэффициентов обработанное™ - от 2,882 до 4,902; /„ -от 125 до 500. Полученные области значений коэффициентов могут быть использованы при назначении режимов УУО для стали 45. Однако для других материалов группы углеродистых конструкционных сталей значения коэффициентов перекрытия и обработанное™, при которых обеспечивается высокая износостойкость обработанной поверхности, могут находиться в других областях.

Таким образом, в результате теоретических исследований получены формулы для нахождения основных параметров УУО на основе коэффициентов перекрытия и обработанное™ и определены области значений этих коэффициентов, позволяющие назначать режимы обработки, обеспечивающие высокую износостойкость поверхности.

В третьей главе представлены экспериментальные исследования влияния режимов УУО на шероховатость, микротвердость, и величину весового износа образцов в период приработки.

Для планирования эксперимента использовался симплекс-решетчатый план третьего порядка. Согласно этому плану, исследуемые процессы описываются с помощью полинома третьей степени.

В соответствии с проведенными ранее исследованиями других авторов выбраны условия эксперимента и на их основе составлена матрица планирования эксперимента. Экспериментальные исследования проводились на образцах - роликах из стали 45, имеющих наружный диаметр 42 мм, шероховатость Яа 0,32 и

13

микротвердость HV 203. Также были изготовлены образцы, закаленные до HRC 52 - 62. Обработка проводилась на станке ФТ-11 с использованием генератора УЗГ 3-4, обеспечивающего частоту 17,8 кГц и магнитострикционного преобразователя ПМС15А-18, амплитуда колебаний ультразвукового инструмента составляла 40 мкм. Основываясь на проведенных ранее исследованиях д.т.н. А.В. Телев-ного, в качестве твердой смазки была выбрана суспензия дисульфида молибдена (MoS2) и керосина в объемной пропорции 1:7.

После обработки производились измерения шероховатости с помощью профилометра 296, микротвердости с помощью микротвердомера ПМТ-3. Результаты показали, что у образцов после УУО шероховатость снизилась в среднем на 0,1 мкм, а мнкротвердость возросла в среднем в 2-3 раза по сравнению с необработанными образцами. Образцы испытывались на износостойкость с помощью машины трения ИИ 5018 при следующих условиях: частота вращения образца пер=200 об/мин; контртело Бр АЖ 9-4; сила прижима Р„агр- 100Н. С помощью аналитических весов DL-200 с точностью измерений 0,001 г производился замер массы образца через каждые три минуты испытания на машине трения. Затем определялся искомый параметр оптимизации - средний весовой износ по формуле Крагельского И.В.:

; Лб 1

где AQ - изменение веса образцов, AN - число оборотов образца между взвешиванием образцов, Lt - путь трения за один оборот, Аа - номинальная площадь касания.

Адекватность модели оценена по критерию Стьюдента /¿=0,642, который оказался меньше табличного / - критерия, равного 2,228.

Уравнения, описывающие влияние параметров обработки на микротвердость, шероховатость и весовой износ имеют вид:

У„у =226,29-х, 4-483.33-jCj + 271,17-дг3 -61,02-х, -х2 +679,185-х, -х3 + +Щ15-х2 -хз +235Q215-X, -х2 - О, -х2)-634,635-л,-х3 (х, -х3) + + 57Q2738-x2 х3-(х2 —jc3>—128,351-jc, -хг -х3

у,ь = 0,28-х, + 0,25 • х2 + 0,25 ■ х, + 0,09 • х, • х2 - 0,045-х,-х3-- 0,0225-х2 -дс3 -0,135-х, ■ х2 • (х, -х2)-0,54-х, • х3 • (х, -х3) + + 0,6075-х2 ■ х3 ■ (х2 -х3)+0,7425-х, -х2 -х3

ylg = 403-х, +23,54-х2 +40,46-х3 +17325-х, -х2 -92,45-х, -х3 --16,74-х2-х3 +8,73-дг, -х2-(х, -х2)-49,25-х, -х3 -(х, -х3)--16,875-х2-х3-(х2-х3)-7:г53-х| -х2-х3

Осуществляя перебор всех точек области эксперимента с установленным шагом, определялись значения xh х2, Х), обеспечивающие заданное значение от-

(25)

(26) (27)

клика у, соответствующее значениям микротвердости, шероховатости и весового износа.

В результате вычислений определено, что минимальное значение весового износа /£=2,39 достигается при Х1=0,7, х2=0, хз=0,301. При этих же значениях достигается шероховатость Яа 0,22 и микротвердость ЯК 329,78. Затем был произведен переход от кодированных значений к фактическим п, Б, Рст:

В результате расчетов по формулам (28) - (30) определено, что минимальное значение шероховатости, максимальное значение микротвердости и минимальное значение весового износа достигаются при п=63 об/мин, S=0,1 мм/об, Р„=80 Н.

Основываясь на режимах обработки экспериментальных образцов, были подсчитаны значения коэффициентов обработанное™ в окружном направлении Xn, в направлении подачи а также общего коэффициента обработанное™ "K,s, отображающего количество ударов ультразвукового инструмента на единицу поверхности. На основании полученных данных построена зависимость весового износа образцов от значений общего коэффициента обработанное™ (рис. 9).

л = 20+60-х,;

5 = 0,10+0,07-х2; Р„ = 40 + 60-Хз.

(28)

(29)

(30)

ig, мг/мЗ

О&раэец S (¿м УУО и бс» термообработки)

Мин имальное гначлнил . .,Ав£о»о№ износа при, Рст*80 Н4 г»»6Э об/мин, S'0,1 мм/об: ¡6*1S,81

ШД» 158,56 «2,55 225Д6 SG2,9« «23.4? S47.CC 63114 JM.« tOOS 21 1131.77

Рисунок 9 - Зависимость весового износа образцов от общего коэффициента обработаиности

Согласно представленной зависимости можно сделать вывод, что износостойкость образцов, обработанных УУО с внедрением твердой смазки в 3 раза выше по сравнению с образцами без УУО и без термообработки и в 1,5 раза выше, чем у термообработанных образцов. Значения общего коэффициента обработанное™, при которых достигается высокая износостойкость, находятся в пределах от 603,14 до 804,18.

На основе полученных значений частоты вращения, подачи и статической силы, при которых достигается высокая износостойкость поверхности, для данного диаметра образца был произведен расчет рекомендуемых значений коэффициентов перекрытия и обработанное™, а затем был произведен пересчет этих коэффициентов для группы углеродистых конструкционных качественных сталей. Значения коэффициентов перекрытия и коэффициентов обработанное™ определялись согласно формулам (3), (б), (8).

Таким образом, в результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что износостойкость образцов, обработанных методом УУО с внедрением твердой смазки возрастает при обработке на рациональных режимах в 3 раза по сравнению с образцами без УУО и без термообработки, и в 1,5 раза по сравнению с термообработанными образцами. На основании проведенных экспериментальных исследований подобраны рациональные режимы обработки, обеспечивающие высокую износостойкость поверхности, и на их основе определены рациональные значения коэффициентов перекрытия и обработанное™ для группы конструкционных углеродистых качественных сталей.

Четвертая глава посвящена практической реализации результатов теоретических и экспериментальных исследований, и включает методику проектирования операции ультразвуковой упрочняющей обработки (рис. 10).

Представленная методика позволяет назначать рациональные режимы обработки в зависимости от коэффициентов перекрытия и обработанное™ для материалов группы углеродистых конструкционных качественных сталей. Использование базы данных формул для расчета параметров обработки позволяет решать задачу выбора рациональных режимов обработки, при которых достигается высокая износостойкость обработанной поверхности детали.

Для назначения рациональных режимов обработки разработана компьютерная программа. Данная программа позволяет рассчитывать значения продольной подачи инструмента и частоты вращения шпинделя станка в зависимости от заданных значений коэффициентов перекрытия и обработанное™, диаметра заготовки, радиуса инструмента, частоты ультразвукового генератора и глубины внедрения инструмента в поверхность заготовки. Также данная программа позволяет получить наглядное представление о расположении площадок контакта развертки поверхности получаемых при заданных параметрах.

Ввод исходных данных:

1. Вид обрабатываемой поверхности (наружная, внутренняя торцевал);

2. Размеры обрабатываемой поверхности (диаметр, длина, мм);

3. Исходная микротвердостъ НУ обрабатываемой поверхности;

4. Исходная шероховатость обрабатываемой поверхности, Яд;

5. Предел текучести о, материала заготовки о„ н/мм2;

6. Коэффициенты перекрытия К„3 н Кп" и обработанное™ ^ и ^ в зависимости ог материала детали.

Выбор оборудования

Выбор твердого смазочного покрытия

Расчет параметров обработки: Рст, Б, п. То

Станков, приспособлений, у/з инстру ментов, магнита стрикци-онных преобразователей, у/з генераторов.

БД

Твердых смазочных покрытий

БД формул расчета параметров обработки

Вид об-рзб. пов-ности Расчетные паоамстоы

'в л г„

Наружная цилиндрическая Т„-

Внутренняя цилиндрическая Б-... п=...

Торцевая п=...

Рисунок 10 - Методика проектирования операции УУО с внедрением твердой смазки

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана структурная схема управления процессом УУО, согласно которой выделены параметры процесса, которыми можно управлять с целью повышения износостойкости обрабатываемой детали: ультразвуковой инструмент (достижение его оптимальной конструкции в зависимости от вида обрабатываемой поверхности); режимы и условия обработки (подбор рациональных режимов УУО, таких как подача инструмента, число оборотов заготовки, число проходов, амплитуда колебаний инструмента, частота соударений инструмента); твердая смазка (выбор твердой смазки, подбор соотношения компонентов твердой смазки).

2. Получены зависимости для определения параметров площадки контакта инструмента и заготовки (большая и малая полуоси) на основе развертки обрабатываемой поверхности для различных видов поверхностей (наружная цилиндрическая, внутренняя цилиндрическая, торцевая поверхность), видов индентора (цилиндрический или сферический), размеров детали и инструмента, физико-механических свойств материала детали; получена зависимость для развертки фактической площади контакта инструмента и детали с учетом продольной подачи инструмента.

3. Получены выражения для определения подачи инструмента, частоты вращения заготовки, а также статической силы прижима инструмента при УУО при заданной частоте ультразвуковых колебаний с использованием коэффициентов перекрытия и обработанное™, определяющих взаимное расположение площадок контакта при обработке. Данные выражения позволяют назначать рациональные технологические режимы обработки в зависимости от материала детали, при которых достигается высокая износостойкость обрабатываемой поверхности.

4. Определена экспериментальная зависимость между общим коэффициентом обработанное™ и износостойкостью поверхности; определены режимы обработки, при которых достигается высокая износостойкость поверхности деталей из стали 45, на основе которых определены значения коэффициентов перекрытия и обработанное™ для материалов группы углеродистых конструкционных качественных сталей.

5. Износостойкость образцов из стали 45, обработанных методом УУО с внедрением твердой смазки, возрастает в 3 раза по сравнению с образцами без УУО и без термообработки, и в 1,5 раза по сравнению с образцами с термообработкой.

6. Разработана методика проектирования операции УУО, включающая выбор оборудования, ультразвукового инструмента, компонентов твердой смазки, расчет и назначение основных параметров обработки (частота вращения, подача, статическая сила), позволяющая назначать технологические режимы обработки, при которых достигается высокая износостойкость обрабатываемой поверхности.

7. Результаты исследований рекомендованы к внедрению в виде методики назначения рациональных режимов обработки в ОАО «НИИ технологии, контроля и диагностики железнодорожного транспорта» и внедрены в учебный процесс кафедры «Технология машиностроения» ОмГТУ при курсовом и дипломном проектировании.

Основные положения диссертации опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ:

1. Скобелев, С. Б. Исследование возможности управления геометрическими параметрами обработанной поверхности для определения износостойкости пар трения при ударно-акустической обработке [Текст] / С. Б. Скобелев, В. Б. Ма-сягин II Упрочняющие технологии и покрытия 2008. - №3. - С. 33 - 40.

2. Масягин, В. Б. Определение геометрических параметров и площади пятна контакта инструмента и заготовки при ударно-акустической обработке [Текст] / В. Б. Масягин, С. Б. Скобелев // Омский научный вестник. - 2007. - №1(52). - С. 48 - 50.

3. Масягин, В. Б. Определение режимов процесса ударно-акустической обработки [Текст] / В. Б. Масягин, С. Б. Скобелев // Омский научный вестник. -2006. - №10(48). - С. 45 -48.

Публикации в других изданиях:

4. Телевной, А. В. Состояние вопроса по управлению процессом ударно-акустической обработки с внедрением твердых смазок [Текст] / А. В. Телевной, С. Б. Скобелев, В. Б. Масягин // Третья междунар. науч.-техн. конф. «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт»: сб. матер.: В 2 ч. / Иртышский филиал ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта», -Омск,2007.4.1.-С.262-264.-Библиогр.: с.264.

5. Телевной, А. В. Управление процессом ударно-акустической обработки с целью повышения износостойкости деталей пар трения в авиационной и ракетно-космической технике [Текст] / А. В. Телевной, С. Б. Скобелев, В. Б. Масягин // IV Междунар. технол. конгресс «Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения»: сб. матер. / г. Омск, 4-9 июня 2007 г. 4.2. - С.205 - 210. - Библиогр.: с. 210.

6. Скобелев, С. Б. Управление процессом ударно-акустической обработки с внедрением твердых смазок [Текст] / С. Б. Скобелев, В. Б. Масягин // VI Междунар. науч.-техн. конф.: сб. матер. / г. Омск, 13-15 ноября 2007 г. Кн. 2. - С.252 -256. - Библиогр.: с.256.

7. Скобелев, С. Б. Разработка программы для расчета режимов ударно-акустической обработки [Текст] / С. Б. Скобелев, Ю. А. Гомзикова, И Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых исследователей «Теоретические знания в практические дела»/ Омск 2008 г. Ч.З. - С. 176-180.

8. Скобелев, С. Б. Экспериментальные исследования влияния режимов ударно-акустической обработки с внедрением твердом смазки на величину весового износа [Текст] / С.Б. Скобелев // Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых исследователей «Теоретические знания в практические дела»/ Омск, 2008. Ч. 3. - С. 173 - 176.

9. Скобелев С. Б. Проектирование операции ультразвуковой упрочняющей обработки (УУО) с внедрением твердой смазки [Текст] / С. Б. Скобелев // X Меж-

дународная научно-практическая конференция студентов, аспирантов, молодых исследователей «Теоретические знания в практические Дела» / - Омск 2009 г. 4.2. -С. 17-19.

10. Скобелев С. Б. Экспериментальные исследования влияния режимов ультразвуковой упрочняющей обработки с внедрением твердой смазки на качество рабочих поверхностей и поверхностного слоя деталей [Текст] / С. Б. Скобелев // X Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов, молодых исследователей «Теоретические знания в практические дела» / - Омск, 2009. 4.2.-С. 19-21.

Подписано в печать 24.05.2010. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Усл.пл. 1,25. Уч.-изд.л. 1,1. Тираж 100 экз. Тип.зак. 26 Заказное

Отпечатано на дупликаторе в полиграфической лаборатории кафедры «Дизайн и технологии медиаиндустрии» Омского государственного технического университета: 644050,0мск-50, пр. Мира, 11

ВВЕДЕНИЕ

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПАР ТРЕНИЯ МЕТОДОМ , УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ С ВНЕДРЕНИЕМ ТВЕРДЫХ СМАЗОК

1.1 Основы процесса ультразвуковой упрочняющей обработки (УУО)

1.1.1 Связь ультразвуковой упрочняющей обработки с методами поверхностно-пластического деформирования (ППД)

1.1.2 Параметры, определяющие режимы УУО

1.1.3 Процессы, происходящие в поверхностном слое при УУО

1.2 Оборудование, применяемое при УУО

1.3 Основные параметры УУО

1.3.1 Материал заготовки

1.3.2 Амплитуда и частота колебаний

1.3.3 Статическая нагрузка

1.3.4 Технологические параметры УУО

1.4 Применение твердых смазочных покрытий при УУО

1.5 Выводы

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ УУО

2.1 Структурная схема процесса ультразвуковой упрочняющей обработки

2.2 Определение параметров площадки контакта инструмента и заготовки при УУО

2.2.1 Расчет параметров площадки контакта при обработке инструментом с цилиндрическим индентором

2.2.2 Расчет параметров площадки контакта при обработке инструментом со сферическим индентором

2.3 Определение фактической площади развертки площадки контакта инструмента и заготовки

2.4 Расчет основных технологических параметров УУО

2.4.1 Определение продольной подачи ультразвукового инструмента

2.4.2 Определение частоты вращения шпинделя станка

2.4.3 Определение статической силы прижима инструмента 73 2.5. Определение значений шероховатости и изменения размеров обрабатываемой детали в результате УУО

2.6 Вычисление области значений коэффициентов перекрытия и обработанное™ для углеродистых конструкционных сталей

2.7 Выводы 82 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ УУО НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ

3.1 Методика планирования экспериментальных исследований

3.2 Описание экспериментальной установки

3.3 Подготовка экспериментальных образцов для испытаний

3.4 Проведение ультразвукового упрочнения с внедрением твердой смазки

3.5 Проведение испытаний на износостойкость

3.5.1 Аппаратура и условия испытаний

3.5.2 Определение весового износа

3.6 Обработка результатов эксперимента

3.7 Определение значений коэффициентов перекрытия и коэффициентов обработанности для конструкционных углеродистых сталей

3.8 Выводы 119 4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Разработка методики проектирования операции ультразвуковой уп- 120 рочняющей обработки

4.2 Разработка компьютерной программы для расчета режимов УУО

4.2.1 Составление и отладка программы

4.2.2 Графическое представление вида обработанной поверхности

4.3 Применение методики для проектирования операции УУО для дета- 126 ли «Коленчатый вал» холодильного поршневого компрессора

4.4 Выводы 131 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 137 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 138 ПРИЛОЖЕНИЕ А - Изменение веса образцов при испытании на износ на машине трения ИИ

Актуальность темы. Ультразвуковая упрочняющая обработка (УУО) -один из методов поверхностного пластического деформирования (ППД). Благодаря данному методу возрастает микротвердость поверхностей, уменьшается шероховатость, улучшается совместимость материалов деталей пар трения, снижается износ во время приработки.

Разработанные, исследованные и внедренные в практику в 1972 г. д.т.н. A.B. Телевным основы модифицирования поверхностного слоя на основе объемной микропластичности, и созданный на их основе метод ударно-акустической обработки (УАО), являющийся разновидностью УУО, обеспечили внедрение в серийное производство авиационной и космической техники, а также в ремонтное производство для автомобильной промышленности механических систем для УУО. Однако в настоящее время отсутствует четкая методика назначения режимов УУО при обработке поверхностей деталей пар трения.

Учитывая возрастающие требования к качеству и необходимость обеспечения долговечности деталей в процессе эксплуатации, являются актуальными исследования, направленные на разработку методики назначения рациональных режимов обработки, при которых обеспечивается высокая износостойкость поверхностного слоя, и разработку методики проектирования технологической операции УУО.

Объектом исследования является процесс УУО с одновременным нанесением твердого смазочного покрытия и качество рабочих поверхностей и поверхностного слоя деталей после обработки.

Цель данной работы — повышение качества, износостойкости рабочих поверхностей деталей пар трения путем назначения рациональных технологических параметров УУО с одновременным нанесением твердого смазочного покрытия.

Задачи работы заключались в следующем:

1. Разработать расчетные схемы контакта индентора и обрабатываемой поверхности детали при УУО.

2. Разработать формулы для нахождения параметров площадки контакта инструмента и детали от геометрических параметров инструмента и детали и свойств материала детали. Получить зависимости подачи инструмента, частоты вращения заготовки, статической силы прижима инструмента от параметров площадки контакта инструмента и детали, позволяющие назначать технологические режимы обработки, при которых достигается высокая износостойкость обрабатываемой поверхности.

3. Провести экспериментальные исследования влияния режимов УУО на износостойкость деталей пар трения и определить на их основе рациональные режимы УУО, обеспечивающие высокую износостойкость деталей пар трения.

4. Разработать методику проектирования операции УУО.

Теоретические исследования в работе проводились на основе научных положений технологии машиностроения, трибологии, теории планирования эксперимента и математического моделирования. Экспериментальные исследования проведены с использованием лабораторной контрольно-измерительной аппаратуры и оборудования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны формулы для определения параметров развертки площадки контакта ультразвукового инструмента и детали, полученные на основе рассмотрения их взаимодействия в зависимости от геометрических параметров и свойств материала детали; получена зависимость для нахождения развертки фактической площади контакта ультразвукового инструмента и детали при обработке.

2. Получены зависимости для подачи инструмента, частоты вращения шпинделя, включающие характеристики регулярного микрорельефа - величины коэффициентов перекрытия (обработанности), позволяющие назначать технологические режимы обработки, при которых достигается высокая износостойкость обрабатываемой поверхности.

3. Установлены экспериментальные зависимости износостойкости обрабатываемых поверхностей деталей от параметров УУО с внедрением твердой смазки, и от значений общего коэффициента обработанности, и подобраны на их основе рациональные технологические режимы обработки.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана методика проектирования операции УУО с внедрением твердой смазки.

2. Разработана компьютерная программа по расчету режимов УУО.

Результаты работы получены с использованием статистических методов обработки экспериментальных данных, адекватность экспериментальных моделей проверена по ^критерию Стьюдента.

Результаты научных исследований рекомендованы к внедрению в виде методики назначения рациональных режимов обработки в ОАО «НИИ технологии, контроля и диагностики железнодорожного транспорта» г. Омск.

Представленные в диссертационной работе исследования связаны с выполнением аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2006 - 2008 г.г.).

Основные положения диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры «Технология машиностроения» ОмГТУ при курсовом и дипломном проектировании.

Материалы исследований доложены и обсуждены на научных семинарах и расширенном заседании кафедры «Технология машиностроения» (ОмГТУ, Омск) в 2008-2010 г.г.; на III Международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Омск, 2007); на IV Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения» (Омск, 2007); на VI Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2007); на Юбилейной межвузовской научно-практической конференции аспирантов, студентов и молодых исследователей «Теоретические знания - в практические дела» (Омск, 2008); на научных семинарах кафедры «Общая технология машиностроения» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова (Барнаул, 2008 - 2009).

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ку - коэффициент усиления амплитуды ультразвукового концентратора; ¿1 - диаметр входной части концентратора; ¿/2 - диаметр выходной части концентратора;

Утах - максимальная скорость главного движения ультразвукового упрочнения, мм/с;

Уср - средняя скорость главного движения ультразвукового упрочнения, мм/с; /- частота колебаний ультразвукового инструмента, 1/с; £ - амплитуда колебаний ультразвукового инструмента, мм; ¥д - максимальная скорость деформирования поверхностного слоя, мм/с; У

I- интенсивность ультразвука, Вт/м ; р - плотность среды, кг/м ; с - скорость распространения ультразвука, м/с; Яволн - площадь поперечного сечения волновода, мм2; п - частота вращения шпинделя станка, об/мин; у- шаг соударений ультразвукового инструмента с обрабатываемой поверхностью, мм;

В - диаметр обрабатываемой детали, мм;

Т0 - основное время обработки, мин;

Ь — длина обрабатываемой поверхности, мм;

I - число проходов инструмента;

3„Род - продольная подача инструмента, мм/об; к - число полусфер ультразвукового инструмента;

НУ- микротвердость поверхности, Н/мм ;

Яа - шероховатость поверхности, мкм; л ат - предел текучести материала детали, Н/м ; Рст - статическая сила прижима инструмента, Н; а - малая полуось развертки площадки контакта ультразвукового инструмента и заготовки, мм;

Ь - большая полуось развертки площадки контакта ультразвукового инструмента и заготовки, мм; к - глубина внедрения инструмента в поверхность детали, мм; Я] — радиус индентора ультразвукового инструмента, мм; Япр - приведенный радиус поверхностей контактирующих тел, мм; НД- пластическая твердость материала обрабатываемой детали, НУмм2; Я2 - радиус обрабатываемой поверхности детали, мм; •^п.конт. ~ площадь пятна контакта инструмента и заготовки, мм2; Рк - фактическая площадь развертки площадки контакта инструмента и заготовки, мм2;

К„ - коэффициент перекрытия в направлении подачи; ткдейст. ~ действительный коэффициент перекрытия в направлении подачи;

- коэффициент перекрытия в окружном направлении; / - величина сдвига площадки контакта в окружном направлении, мм. а - угол поворота заготовки между двумя соударениями, рад; Кп.дейст. - действительный коэффициент перекрытия в окружном направлении;

Яср - средний радиус обработки, мм;

Л5 - коэффициент обработанности в направлении подачи;

Лп - коэффициент обработанности в окружном направлении;

Лп5 — общий коэффициент обработанности;

2 - деформируемый микрообъем металла, мм3; йс - диаметр сферы индентора, мм;

Нтах - максимальная глубина внедрения индентора, мм;

- площадь поперечного сечения волновода, мм2; Д, - диаметр обрабатываемой поверхности до обработки, мм;

- припуск под обработку, мм; х1 - доля 1-го параметра в исследуемом процессе;

7 - число параметров в процессе; сг2{у} - дисперсия предсказанного значения у; сг2{у} - дисперсия воспроизводимости эксперимента; xi - координаты точки, в которой определяется дисперсия и - критерий Стьюдента;

Аа - площадь касания образцов, м ;

- путь за один оборот, м; А()~ изменение веса образцов, г;

ДТУ - число оборотов образца между взвешиванием образцо весовой износ образца, г/м3; Ь - путь трения образца, м; ББТ- ряд значений подач станка; N3 - количество подач; NN-количество частот вращения; N87- ряд значений частот вращения станка; ППД - поверхностно-пластическое деформирование; У АО- ударно-акустическая обработка; УЗО - ультразвуковая обработка; УУО - ультразвуковая упрочняющая обработка.