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

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

□03488358

Барнаул - 2009

003488358

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

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор

Телевной Алексей Васильевич

кандидат технических наук, доцент Масягин Василий Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Блюменштейн Валерий Юрьевич

кандидат технических наук, доцент Ятло Иван Иванович

Ведущая организация: ОАО «НИИТКД», г. Омск.

Защита состоится «24» декабря 2009 г. в 12 час. 00 мин, на заседании диссертационного совета Д 212.004.01 при Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46.

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

Отзывы в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью организации, просьба направлять по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46. Факс: (3852) 36-79-03, e-mail: yuoshevtsov@maiI.ru.

Автореферат разослан « 23 » ноября 2009 года

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н., доцент ( у' ' Ю.О. Шевцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ультразвуковая упрочняющая обработка (УУО) - один из методов поверхностного пластического деформирования (ППД). Благодаря данному методу микротвердость поверхностей возрастает в 1,5 раза, 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., профессором 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 впервые в России внедрение в серийное производство механических систем для авиационной и космической техники, а также в ремонтное производство для автомобильной промышленности. Однако в настоящее время отсутствует четкая методика назначения режимов УУО при обработке наружных, внутренних цилиндрических и торцевых поверхностей деталей.

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 операции УУО.

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

Цель работы. Разработка методики назначения рациональных технологических параметров ультразвуковой упрочняющей обработки с одновременным нанесением твердого смазочного покрытия для повышения качества, износостойкости рабочих поверхностей деталей пар трения.

Задачи работы.

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

2. Вывести формулы для нахождения параметров площадки контакта инструмента и детали от геометрических параметров инструмента и детали и свойств материала детали. Получить зависимости для определения 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 и составить рекомендаций для машиностроительных и ремонтных предприятий.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе научных положений технологии машиностроения, трибологии, математической статистики и математического моделирования. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием методики планирования экспериментов на лабораторной установке для УУО.

Научная новизна:

1. Выведены формулы для нахождения геометрических параметров площадки контакта инструмента и детали для наружной цилиндрической, внутренней цилиндрической и торцевой поверхностей, а также формула для нахождения фактической площади контакта инструмента и заготовки, определяемая с учетом продольной подачи инструмента и учитывающая смещение площадки контакта в окружном направлении между двумя соударениями.

2. Получены зависимости для определения продольной подачи инструмента, частоты вращения заготовки, статической силы прижима инструмента от параметров площадки контакта инструмента и детали и физико-механических свойств материала детали, позволяющие назначать технологические режимы обработки, при которых достигается высокая износостойкость обрабатываемой поверхности.

3. Установлены экспериментальные зависимости износостойкости обрабатываемых поверхностей деталей от параметров УУО и на их основе подобраны технологические режимы обработки, при которых достигается высокая износостойкость обрабатываемой поверхности.

Практическая ценность.

1. Рекомендации по назначению рациональных режимов ультразвуковой упрочняющей обработки для машиностроительных и ремонтных предприятий.

2. Методика проектирования операции ультразвуковой упрочняющей обработки.

Достоверность результатов исследования. Результаты работы получены с использованием статистических методов обработки экспериментальных данных, адекватность экспериментальных моделей проверена по ^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 кафедры «Технология машиностроения» (ОмГТУ, Омск) в 2006 - 2008 г.г.; Третьей 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).

Публнкацни. По материалам теоретических и экспериментальных исследований опубликовано десять работ, в том числе одна работа в журнале, рекомендованном ВАК, 2 отчета о НИР.

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

Работа содержит 149 страниц, в том числе 127 страниц основного текста, 48 рисунков, 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 ультразвуковой упрочняющей обработки 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, K.JI. Панченко, И.И. Муханова, 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 практически 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 выражений 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 обработанности, физико-механических свойств материала.

Первоначально определены параметры теоретической 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 внедрения инструмента в поверхность заготовки (рис. 1) представляет собой пересечение цилиндрического индентора и наружной цилиндрической поверхности детали. Площадка контакта при пересечении двух цилиндрических поверхностей представляет собой эллипс, который имеет малую и большую полуоси.

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

а

С помощью представленной расчетной схемы получены формулы для определения малой и большой полуосей площадки контакта:

а^ЩИ (1)

Ь = (2)

где Л; - радиус индентора, мм; И - глубина внедрения индентора в поверхность заготовки, мм; Я3 - радиус обрабатываемой поверхности заготовки, мм.

Глубина внедрения И определяется по формуле М.С. Дрозда:

Р

И =-=-, ■ (3)

2,44 яЯпр НУ

где Я„р - приведенный радиус поверхностей контактирующих тел. Значения приведенного радиуса Я„р 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. Для схемы контакта, представленной на рис. 1, 7?л/,=4,92 мм;

НУ- микротвердость материала обрабатываемой детали;

Рст ~ статическая сила прижима инструмента к обрабатываемой поверхности детали, Н.

Подставив формулу (3) в выражения (1) и (2), получим в окончательном виде формулы для определения малой и большой полуосей площадки контакта инструмента и заготовки.

а = 0,41.'

гсНУ

= 0,41

пНУ

(4)

(5)

На основе известной зависимости Папшева Д.Д. получена зависимость для нахождения фактической площади контакта инструмента и заготовки при УУО, т.е. площади образующейся с учетом положения инструмента между соударениями и величины, на которую сдвигается инструмент с учетом продольной подачи 5 и сдвига площадки контакта в окружном направлении / (рис. 2).

Рисунок 2 - Определение фактической площади контакта инструмента и заготовки при УУО

Согласно представленной расчетной схеме фактическая площадь контакта определяется по формуле:

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

В работе приведены расчетные схемы для определения подачи инструмента (рис. 3).

Рисунок 3 - Расчетные схемы для определения продольной подачи инструмента при расположении площадок контакта: а - без перекрытия; б - с перекрытии на половину; в - с перекрытием на три четверти

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

(6)

_\

подачи:

Для варианта, представленного на рис. 3 (а), для варианта на

рис. 3(6) К^=1/2\ для варианта на рис. 3 (в) Кп*=3/4.

Из формулы (7) определяется продольная подача у/з инструмента:

5 = (8)

С целью определения зависимостей для нахождения частоты вращения заготовки разработанные расчетные схемы, отображающие взаимное расположение площадок контакта в окружном направлении (рис.4).

Рисунок 4 - 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

(9)

2 Ъ '

где - 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. 4 а, Кп"=0; для варианта на рис. 4 б, К"-1/2\ для варианта на рис. 4 в, Кп"=3/4.

В работе также получена общая формула для определения частоты вращения:

24,5/ п =-

К 2 Ра

Й^-М:].

где Л2 - радиус обрабатываемой поверхности детали, мм;/- частота магнитострикционного преобразователя, Гц.

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 - коэффициенту обработанности Я. Коэффициенты обработанное™ в направлении продольной подачи и в окружном направлении Л„ имеют вид:

п п

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

с г I ^ст

0,82 •, 1 "" 24,5/ •„ 5=-Чп.НУ , й =-1п_НУ_

К ' я«А ■ м

Общий коэффициент обработанности имеет вид:

_1__

\-к1'\-к:

^ ~~ 1 г* ' 1 г" (13)

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). Поэтому, определив значения данных коэффициентов, можно экспериментально подобрать такие режимы обработки, при которых достигается высокая износостойкость обработанной поверхности детали.

Важным параметром, зависящим как от свойств обрабатываемого материала, так и от режимов обработки является величина гст — статическая сила прижима инструмента. Расчетная схема для определения Рст представлена на рис.5.

Рисунок 5 - Расчетная схема для определения статической силы прижима инструмента Рст

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

(14)

или

г.

О

(15)

где А - работа, совершаемая инструментом при деформации материала, Н-мм; от - предел текучести деформируемого материала, Н/мм2.

Подставив в формуле (15) вместо формулу (6), получаем выражение для нахождения величины Рст в зависимости от значений коэффициентов перекрытия:

рш=\,т г-к5иу<1\-4-к1У, (16)

где /г - глубина внедрения инструмента в поверхность детали, мм; <тг - предел текучести материала детали, Н/мм2, В - диаметр обрабатываемой поверхности, мм.

При соблюдении условия Ь<^/2, где \ - амплитуда колебаний инструмента, будет происходить отрыв инструмента от поверхности детали, т.е. будет происходить удар.

В работе выведены формулы для нахождения основных параметров УУО - статической силы прижима Рст, подачи у/з инструмента 5, 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

Продольная подача у/з инструмента S, мм/об

Поперечная подача S,lon у/з инструмента, мм/об

0,82 •.

5 =

Л,Л.

•ЯН

(12)

5 =

1

= 1,81- . [j(22) irr-HV^ м

0,93-

S = -

тс-HV

1,81'

Л, Я.

(18)

U-tfK

(23)

Частота вращения заготовки я, об/мин

24,5 /•

\!Г-НУ

/Г/?2

[i-/:;](ю)

24,5/

як

тгЛД,

(12)

6<m

Mlfc-H).

[l-/c] (19)

6o/-k-

лКД,

(20)

543/1

/г ЯК

54,3/.

[1-АГ](24)

■ЯК

(25)

где - средний радиус обработки; при обработке торцевой поверхности без внутренней цилиндрической поверхности при обработке торцевой поверхности с внутренней цилиндрической поверхностью

Статическая сила прижима у/з инструмента Рст H

p^mh-ог-Щ-е-фх (lh) 4A-KJ /L, =0.94 су/ *1H'~Ksf- и Г (21) Г—г-а (26)

В работе также определены области значений коэффициентов перекрытия и обработанности для значений подачи и частоты вращения по результатам исследований A.B. Телевного при следующих режимах: S=0,13 мм/об; 0,14 мм/об; 0,15 мм/об и п=40 об/мин; 50 об/мин; 63 об/мин, Рст=100 Н, материал образцов сталь 40 ХНМА (HV 269 - 341) ( рис.6).

Кпп

1

0.999 0997 0.995

1 и '1

2 5 8

3 Ь 9

Лп

ззз,зз -200 ■

0.799 0.835 0.870 1

V-

/ \ 7.962 00 М 6.061

а) б)

Рисунок 6 - Области значений коэффициентов: а) перекрытий К5П и Кпп; б) обработанное™ и ^п

Согласно рис. 6 можно сделать вывод, что оптимальные значения коэффициентов перекрытия К„' для стали 40 ХНМА должны находиться в области от 0,799 до 0,870; К" - от 0,995 до 0,999; коэффициентов обработанное™ - от 4,975 до 7,962; Хп - от 200 до 1000. Полученные коэффициенты могут быть использованы при назначении режимов УУО для легированных сталей. Однако для углеродистых конструкционных сталей оптимальные значения коэффициентов перекрытия и обработанности, при которых обеспечивается высокая износостойкость обработанной поверхности, будут находиться в другой области, что связано с уменьшением твердости материалов и, следовательно, изменением режимов обработки.

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, имеющего следующий вид:

У=Р& +Р& +М -Ь+Ги-х, '^Оч

(27)

где Х| - частота вращения детали;

х2 - продольная подача инструмента;

хз - статическая сила прижима инструмента.

В соответствии с проведенными ранее исследованиями других авторов, выбраны условия эксперимента, и на их основе составлена матрица планирования эксперимента (таблица 2). Экспериментальные исследования проводились на образцах - роликах из стали 45, имеющих шероховатость 11а 0,32 и микротвердость НУ 203. Обработка проводилась на станке

ФТ-ll 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 A.B. Телевного, в качестве твердой смазки была выбрана суспензия дисульфида молибдена (MoS2) и керосина в объемной пропорции 1:7.

Таблица 2 - Матрица планирования эксперимента

Номер опыта п, об/мин S, мм/об Per,H Уну УПа У-g

1 80 0,10 40 У1 У> У1

2 20 0,17 40 У? У 2 У 2

3 20 0,10 100 Уз Уз Уз

4 40 0,14 40 Ут Уп2 У122

5 40 0,10 80 У133 Упз У133

6 20 0,12 80 У 233 V233 Угзз

7 63 0,12 40 У1/2 Ут У112

8 63 0,10 60 У из Упз Упз

9 20 0,14 60 У 223 У223 У223

10 40 0,12 60 У ¡23 Упз Упз

11 Образец без УУО и термообработки

12 Образец с термообработкой

После обработки производился замер шероховатости с помощью профилометра 296, микротвердости с помощью микротвердомера ПМТ-3. Результаты показали, что у образцов после УУО шероховатость снизилась на 0,1 мкм, а микротвердость возросла в 1,5 раза по сравнению с необработанными образцами.

Образцы испытывались на износостойкость с помощью машины трения ИИ 5018 при следующих условиях: частота вращения образца пвр-200 об/мин; контртело Бр АЖ 9-4; сила прижима Риагр=\0Ш. С помощью аналитических весов DL-200 производился замер массы образца через каждые три минуты испытания на машине трения. Затем определялся искомый параметр оптимизации - средний весовой износ по формуле Кра-гельского И.В.:

г = 1

? АЫ Аа • I, ' (28)

где АО - изменение веса образцов, ДN - число оборотов образца между взвешиванием образцов, Ь, - путь трения за один оборот, Аа - номинальная площадь касания.

Затем вычислялись коэффициенты уравнения (27). Адекватность модели оценена по критерию Стьюдента /„=0,642, который оказался меньше табличного Г - критерия, равного 2,228.

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

уНУ = 226,29-х, +483,33-дг2 + 271Д7-х3 -61,02-х,-хг +679,185-х, -х3 +

+128,15-л:2 + 235Ц215-Х, •хг -(х,-хг)-634,635-х, -х3 -(х, -х3) + (29)

+ 570,2738-х2 -х3 •(х2 -х3)-128351-х, -х2 -х-,

у„а = 0,28• х, + 0,25 • х2 + 0,25 • х3 + 0,09-хгх2- 0,045• х, ■ х3 -

-0,0225-х2 -х3 -0,135-х, -х2 -(х, -х2)-0,54-х, -х3 -(х, -х3)+ ро)

+ 0,6075-х2 ■ х3 • (х2 -х3) + 0,7425-х, • х2 • х3

у1г =40,3-х, + 23,54-х2 +40,46-х3 +17,325-х, -х2 -92,45-х, -д:3 --16,74-х2 -х3 +8,73-х, -х2 -(х, -х2)-49,25-х, -х3 -(х, -х3)--1^875-х2 -ху-(х2 -х3)-7,53-х, -х2 -х3

Осуществляя перебор всех точек области эксперимента с установленным шагом, определялись значения х!г х2, х3, обеспечивающие заданное значение отклика у, соответствующее значениям микротвердости, шероховатости и весового износа.

В результате вычислений определено, что максимальное значение функции уну=329, минимальное значение функции уяа=0,217 и минимальное значение функции у1в=2,39 достигаются при Х1=0,7, х2=0, х3=0,301. Затем был произведен переход от кодированных значений к фактическим п,

п = 20+60-х,; (32)

5 = 0,10+0,07-х2; (33)

Рст = 40 + 60-х3. (34)

В результате расчетов по формулам (32) - (34) определено, что минимальное значение шероховатости, максимальное значение микротвердости и минимальное значение весового износа достигаются при п=63 об/мин, 8=0,1 мм/об, Р„=80 Н.

На основе полученных значений частоты вращения, подачи и статической силы 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 (таблица 3). Значения коэффициентов перекрытия и коэффициентов обработанности определялись согласно формулам (8), (10), (12). Значения коэффициентов перекрытия и

обработанное™ в окружном направлении одинаковы, и независимо от материала составляют Кпп=0,996, >л=250.

Таблица 3 - Значения коэффициентов перекрытия и обработанное™ для группы углеродистых конструкционных качественных сталей

Материал Кпз Лв НУ ЛПБ

Сталь 30 0,686 3,18 132 795

Сталь 35 0,635 2,74 178 685

Сталь 45 0,611 2,57 203 642,5

Сталь 55 0,559 2,27 260 567,5

Сталь 60 0,549 2,22 272 555

На основе данных таблицы 3 построена зависимость общего коэффициента обработанное™ от твердости ЯК материалов (рис. 7).

200 .........

! .100

НУ

': о

112 173 203 260 272

Рисунок 7 - График зависимости общего коэффициента обработанности Хпэ от твердости НУ материалов

На основе представленного графика можно сделать вывод, что с увеличением твердости материала уменьшается значение общего коэффициента обработанности Х/, что говорит об уменьшении площади контакта индентора и заготовки с увеличением твердости материала.

Четвертая глава посвящена практической реализации результатов теоретических и экспериментальных исследований, выраженной в проектировании операции ультразвуковой упрочняющей обработки (рис.8). Представленная методика позволяет назначать рациональные режимы обработки в зависимости от коэффициентов перекрытия и обработанности

для материалов группы углеродистых конструкционных качественных сталей.

Ввод исходных данных:

Вид обрабатываемой пов-ностн (наружна«, внутренней, торцевал);

Размеры обрабатываемой поверхности (диаметр, длина, мм); Исходная мккротвердость НУ обрабатываемой пов-ности; Исходна* шероховатость об раб. лов-ности, Яа; Предел текучести от материала заготовки от, н/мм2; Коэффициенты перекрытия Кп" и К„" и обработаиности X» и Хп в -¿ависнмостн от материала детали.

Выбор оборудования

Выбор твердого смазочного покрытия

Расчет параметров обработки: РаЛп.Т. Щ

Определение ориентировочной высоты микронеровности и припуска на обработку

Выбор оптимального технологического решения и составление технологической документации

БД

Станков, приспособлений, у/а инструментов, магнитострикци-онных преобразователей, у/з генераторов.

БД

Твердых смазочных покрытий

БД формул расчета параметров обработки

Вид об-раб. пов-ности Расчетные лаоаметоы

п т„

Наружная цилиндрическая Т.-

Внутренняя цилиндрическая

Торцевая Б»... п=„.

Конец

Рисунок 8 - Методика проектирования операции УУО с внедрением твердой смазки

Использование формул для расчета параметров обработки позволяет решать задачу выбора рациональных режимов обработки, при которых достигается высокая износостойкость обработанной поверхности детали. По результатам расчетов также можно назначать рациональные режимы, обеспечивающие требуемую шероховатость и микротвердость поверхности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

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

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

3. Определены экспериментальные зависимости влияния режимов обработки на основные качественные показатели рабочих поверхностей (шероховатость, микротвердость, износостойкость) и определены оптимальные режимы обработки, при которых достигается высокая износостойкость поверхности деталей для материала сталь 45; найдены значения коэффициентов перекрытия и обработанности для материалов группы углеродистых конструкционных качественных сталей, позволяющие назначать рациональные режимы обработки, обеспечивающие высокую износостойкость обработанной поверхности.

4. Установлено, что с увеличением твердости материала уменьшается значение общего коэффициента обработанности ХД что говорит об уменьшении площади контакта индентора и заготовки с увеличением твердости материала.

5. Разработана методика проектирования операции УУО, включающая выбор оборудования, подбор ультразвукового инструмента, подбор компонентов твердой смазки, расчет и назначение основных параметров обработки (частота вращения, подача, статическая сила), определение ориентировочной высоты микронеровности и припуска на обработку, и позволяющая назначать технологические режимы обработки, при которых достигается высокая износостойкость обрабатываемой поверхности.

6. 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 издании, включенном 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. Масягин // Упрочняющие технологии и покрытия 2008. -Х»3.-С. 33-40.

Публикации в других изданиях:

2. Телевной, A.B. Состояние вопроса по управлению процессом ударно-акустической обработки с внедрением твердых смазок [Текст] / A.B. 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. 2S4:.

3. Телевной, A.B. Управление процессом ударно-акустической обработки с целью повышения износостойкости деталей пар трения в авиационной и ракетно-космической технике [Текст] / A.B. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Скобелев, С.Б. Разработка программы для расчета режимов ударно-акустической обработки [Текст] / С.Б. Скобелев, Ю.А. Гомзикова, // 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 твердой 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 г. Ч. 3. - с. 173- 176.

9. Скобелев С.Б. Проектирование операции ультразвуковой упрочняющей обработки (УУО) с внедрением твердой смазки [Текст] / С.Б. Скобелев // X Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов, молодых исследователей «Теоретические знания в практические дела» / Омск 2009 г. Ч. 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 г. Ч. 2. - с. 19 - 21.

Подписано в печать 13.11.2009г. Формат А4 Печать цифровая Усл. п. л. 5 Тираж 100 экз. Заказ 1107

Отпечатано в Полиграфическом центре «Аванта» 644043, г. Омск, ул. Интернациональная, д.29 Тел.: 8 (3812) 433-840