автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение качества поверхностного слоя изделий из низкоуглеродистых легированных сталей методом ультразвуковой финишной обработки

На правах рукописи

Обловацкая Наталья Сергеевна

Повышение качества поверхностного слоя изделий из низкоуглеродистых легированных сталей методом ультразвуковой финишной обработки

Специальность 05.03 01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗ шиоэо

Москва 2007

003160396

Работа выполнена в филиале «Севмашвтуз» ГОУ «Санкт-Петербургский го сударственный морской технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Рогов Владимир Александрович Зав кафедрой технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов ГОУ ВПО «Российский университет дружбы народов»

Официальные оппоненты.

доктор технических наук, Расторгуев Геннадий Ахтыдуллович профессор кафедры технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов ГОУ ВПО «Российский университет дружбы народов»

кандидат технических наук, с н с Пекарский Эдмунд Михайлович ОАО «ЭНИМС» Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков, г.Москва, ведущий сотрудник отдела №12, «Автоматизация расчетов, испытания станков и сертификация»

Ведущая организация: ФГУП «НИМТБ Онега», г. Северодвинск

Защита состоится «6» ноября 2007г в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.203.16 в Российском университете дружбы народов по адресу: 113090, г. Москва, Подольское шоссе, д 8/5, аудитория П 109

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов (117198 г Москва, ул Миклухо-Маклая, д.6)

Автореферат разослан « У » октября 2007г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Современный научно-технический прогресс в машиностроении сопровождается непрерывным повышением качества машин. Создание передовых конструкций деталей современного общего и специального машиностроения невозможно без одновременного ответа на рад вопросов, связанных с технологичностью, экономичностью и долговечностью изделий При этом особое внимание уделяется обеспечению точности размеров и формы, шероховатости и необходимых физико-механических свойств поверхностного слоя.

Разработка, исследование и внедрение в производство новых методов финишной обработки, повышающих качество поверхности изделий, получили широкое применение во всех отраслях металлообрабатывающей промышленности. Работами по исследованию механизма холодного пластического деформирования, основных кинематических и динамических зависимостей различных процессов, влиянием холодной пластической деформации на физико-механические свойства металлов и сплавов занимаются предприятия, научно-исследовательские и проек1 но-технологические институты Этой теме посвящены работы Ю Г Шнейдера, И.В Крагельского, В Н Подураева, Ю Н.Дроздова и других авторов

Эксплуатационная надежность изделий судового машиностроения, работающих, в том числе, и в особых условиях, таких как агрессивные среды, холод и кавитация в значительной степени определяется качеством обработанных поверхностей Методы лезвийной обработки в силу известных причин создают в поверхностных слоях изделий напряжения, рано или поздно сказывающиеся на эксплуатационной долговечности. Методы пластического деформирования, например, обкатка роликами или шариками, описанная в работах А И.Маркова, В А Горохова, Ю Г Шнейдера и др в какой-то степени снижают остроту проблемы И, тем не менее, как свидетельствует опыт предприятий Государственного Российского центра атомного судостроения, технологические методы повышения долговечности изделий, требующих большого запаса прочности, далеко не исчерпаны. Одним из таких, еще в недостаточной степени изученных методов, является ультразвуковая обработка поверхностей, позволяющая получать в некоторых случаях значительно лучшие результаты Однако говорить об универсальности данного метода не приходится, и установление области его применимости для конкретных марок материалов, их свойств после обработки и технологических режимов обработки является задачей, вне всякого сомнения, актуальной

Целью работы является повышение качества поверхности изделий из низкоуглеродистых легированных сталей путем ультразвуковой финишной обработки за счет учета и коррекции режимов, устанавливаемых при компьютерном моделировании

Методы исследования Решение поставленных задач осуществлялось проведением теоретических и экспериментальных исследований, разработкой технологических решений и практическим применением полученных ре-

зультатов. Теоретико-экспериментальные исследования заключались в выявлении совокупного влияния технологических факторов на качество получаемого методом ультразвуковой финишной обработки поверхностного слоя. Использованы основные положения теории упругости, пластичности, технологии металлов и металловедения, физических методов обработки. Научная новизна работы заключается в следующем

— разработана методика определения влияния режимов ультразвуковой финишной обработки на качество поверхностного слоя обрабатываемых изделий из низкоуглеродистых легированных сталей.

— путем компьютерного моделирования установлены зависимости глубины внедрения индентора и амплитуды колебаний от статического усилия прижима при ультразвуковой финишной обработке низкоуглеродистых легированных сталей

Практическая полезность заключается в следующем:

— на этапе моделирования прогнозируется качество поверхности изделий из УФО низкоуглеродистых легированных сталей в зависимости от режимов УФО,

— разработаны практические рекомендации по выбору режимов УФО, позволяющих значительно снизить шероховатость поверхности применяемой в технологических процессах обработки изделий.

Реализация и апробация работы Научные результаты диссертационной работы внедрены в учебном процессе филиала «Севмашвтуз» ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный морской технический университет. Основные результаты и положения работы были доложены и обсуждены на заседаниях кафедры «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты» РУДН в 2002 - 2007гг, а также на научно-технических конференциях Архангельской области «XXXI Ломоносовские чтения» (Северодвинск, 2002г.), «XXXV Ломоносовские чтения» (Северодвинск, 2006г.); научно-практической конференции «100 лет Российскому подводному флоту» (Северодвинск, 2006г ); научно-технической конференции «40 лет Сев-машвтузу» (Северодвинск, 2006г )

Публикации По теме диссертации опубликовано 6 работ Структура и объем работы Диссертация, включая введение, четыре главы, заключение и приложения составляет 140 страниц машинописного текста, в том числе 33 рисунков, 16 таблиц, 8 приложений и список цитируемой литературы из 62 наименований

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы и основные направления исследований.

В первой главе проведен анализ существующих методов обработки поверхностей деталей машин Отдельная часть посвящена анализу методов финишной обработки, в том числе методов с применением ультразвуковых колебаний Разрушение деталей машин и приборов обычно начинается с поверхностного слоя. Высокие эксплуатационные свойства изделий, их надеж-

ность и долговечность в значительной степени определяются качеством поверхности От нее зависит прочность, особенно, как отмечают авторы В Г Прилуцкий, Ю Г Шнейдер и др , при знакопеременных нагрузках, а также прочность прессовых и стабильность подвижных посадок, износостойкость, коэффициент трения, коррозионная стойкость, эрозионная стойкость, оптические свойства Эксплуатационные свойства и надежность изделий определяются не только рациональностью конструкции и прочностью материала, но и существенно зависят от технологических процессов, методов и режимов обработки изделий, особенно на финишных операциях

Основным механизмов создания требуемых показателей качества поверхностного слоя является способ поверхностного пластического деформирования, обеспечивающий стабильные и благоприятные характеристики качества поверхностного слоя Сложность процесса пластического деформирования, многообразие методов финишной обработки поверхностей, наряду с повышающимися требованиями к свойствам поверхностного слоя предопределяют необходимость системного подхода к анализу показателей качества поверхностного слоя изделий.

Изменение параметров поверхностного слоя после обработки методами пластического деформирования бесспорно Работой по изучению методов и установлением возникающих зависимостей занимались Горохов В А, Шнейдер Ю Г, Браславский В.М., Папшев Д Д и другие ученые

Одним из технологических приемов такого способа является безабразивная ультразвуковая финишная обработка, которая позволяет повысить характеристики материалов в результате изменения свойств поверхностного слоя при возникновении значительных остаточных напряжений сжатия и уменьшить шероховатость поверхности до значений, соизмеримых и даже лучших по сравнению со значениями, получаемыми известными способами отделочной обработки

При пластическом деформировании зерна металла смещаются, изменяют форму, дробятся Кристаллическая решетка зерен искажается, изменяется значение свободной энергии системы Это, в свою очередь, влияет на физико-механические свойства материала увеличивается усталостная прочность, пределы текучести и прочности, сопротивляемость износу на истирание, коэффициент отражения света; уменьшаются относительные удлинение и сужение, электропроводность, магнитная проницаемость, теплопроводность, изменяется коррозионная стойкость.

Эти изменения зависят от многих факторов- механических свойств, химического состава и исходной структуры материала, технологии и режимов предшествующей обработки. Основными параметрами, влияющими на шероховатость поверхности, полученной в результате ультразвуковой финишной обработки, являются технологические режимы обработки, жесткость технологической системы, а также глубина внедрения и геометрия инденто-ра Однако проведенный литературный анализ не позволил выявить полную картину влияния ультразвука на процесс деформирования поверхностного слоя материала Зависимости технологических параметров, предлагаемые в

литературе, можно распространить только на узкий круг применяемых материалов, достаточных сведений о рациональных режимах и условиях проведения ультразвуковой обработки в литературе нет Поэтому для решения проблемы были определены следующие задачи

1. Выявление основных параметров, влияющих на шероховатость поверхности, полученной в результате ультразвуковой финишной обработки 2 Моделирование зависимости качества поверхности от изменения выделенных параметров

3. Проведение экспериментов по ультразвуковой финишной обработке образцов с применением инденторов различной геометрии.

4. Определение зависимости качества поверхности от глубины внедрения и геометрии индентора с учетом влияния жесткости технологической системы.

5. Разработка математической модели шероховатости поверхности, получаемой при ультразвуковом выглаживании

Вторая глава посвящена моделированию исследуемых процессов: процесса деформирования микронеровностей, процесса влияния глубины и геометрии индентора на качество обработанной поверхности, процесса влияния амплитуды ультразвуковых колебаний. Здесь выделены основные варианты деформирования микронеровностей

— глубина внедрения индентора недостаточна для полного деформирования микронеровностей В результате происходит незначительное смятие вершинок и неполное заполнение впадин,

— глубина внедрения такова, что происходит полное заполнение впадин,

— глубина внедрения слишком велика, в результате чего происходит полное смятие микронеровностей, и сверх того, внедрение индентора в основной материал

Варьируя геометрию индентора и учитывая значение статической силы прижима, параметров ультразвуковой системы и механических свойств обрабатываемого материала можно добиться требуемой глубины внедрения. При внедрении индентора на определенную глубину, в зависимости от диаметра обрабатываемой поверхности, возможно получить определенную площадь контакта.. В качестве промежуточных вспомогательных расчетов произведен расчёт площади контакта индентора эллипсоидной формы и цилиндрической заготовки путем поверхностного интегрирования Система координат и получаемое пятно контакта представлены на рисунках 1 и 2

Рисунок 1, Система координат эллипсоида Поверхностный интеграл имеет вид:

! / 2.' 2 Щ Д8 ' ! Р2йи<Ьп, гле Е х] ч (< у) Л*1 г) «

] .! \<Ь I \4н I \с!и I

с а а 4 а й а „ /Л Г /а \2 /(1 \2

Р х- х у у I й- г;, О ! -х + ■ у (- г и;

¿и с! и с! и и о с! и <3и \Й» I \с!о I \с!о /

г

подынтегральное выражение н$ ]е-о е2-ла-^ш - элемент поверхности.

Рисунок 2. Пересечение цилиндра и эллипсоида

В третьей главе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой методики исследования.

Для получения более корректной математической модели исследуемых процессов в ходе разработки методики экспериментальных исследования решался ряд частных задач с получением промежуточных результатов.

Методика исследования предполагала использование экспериментального ультразвукового технологического комплекса мощностью 0,25 кВт и рабочей частотой 22кГц. Как свидетельствует опыт машиностроительных пред-

приятий, определенный интерес представляет оценка влияния различных факторов, возникающих при обработке деталей, на эксплуатационные качества обрабатываемых поверхностей изделий из низкоуглеродистых легированных сталей, поэтому в качестве материалов исследуемых образцов применялись широко используемые представители этой группы 08Х18Н10Т, 17Х18Н9 и 20Х1М1Ф1ТР. Исходными параметрами образцов были приняты диаметр 35мм и длина 300мм, шероховатость Яа = 2...3мкм Основываясь на проведенном анализе опыта предыдущих исследований, литературных источниках и, опираясь на ряд проведенных опытов, определялись диапазоны режимов обработки (таблица 1)

Таблица 1. Диапазоны режимов обработки

Марка стали Усилие прижима Р,Н Подача в, мм/об Число оборотов п, об/мин Мощность генератора К, Вт

20Х1М1Ф1ТР 80 ..160 0,05 ..0,125 63 .125 88 176

17Х18Н9 80... 160 0,04 .0,2 125. .710 88 176

Методика определения показателей качества поверхности предполагала, определение изменения шероховатости поверхности заготовки, обработанной резанием, определение шероховатости поверхности, получаемой при ультразвуковой финишной обработке. В процессе токарной обработки, в результате непостоянства жёсткости технологической системы по длине заготовки, влияния износа и скола режущей кромки и др. факторов, шероховатость поверхности не является величиной постоянной и изменяется по длине детали. На основании полученных результатов установлена зависимость изменения исходной шероховатости поверхности образцов, подвергаемых ультразвуковой финишной обработке, от координаты положения инструмента, представленная на рисунке 3

[_, мм

—20Х1М1Ф1ТР -2 —■—17Х18Н9 -2 -*-20Х1М1Ф1ТР -1 -*-17Х18Н9 -1 Рисунок 3. Шероховатость поверхности образца по длине заготовки

Обрабатываемая ультразвуковым выглаживанием поверхность разбивалась на 18 равных по длине участков. На выглаженных участках с помощью гсрофило метрического прибора Suit топ ic-3 проводятся замеры шероховатости на поверхности, полученной обработкой резанием, и на выглаженных поверхностях. После измерений шероховатости образец снова устанавливался на станок и протачивался для удаления наклёпанного слоя (снимали 0,4мм на диаметр). ! 1осле этого цикл повторялся до тех пор, [¡ока диаметр образца не достигал 32мм (уменьшение скорости обработки на 10% по сравнению с 035мм), или пока вследствие износа индентора не начиналось микрорезание.

Для получения более полной математической модели было принято решение учесть в расчетах жесткость технологической системы в точке контакта индентора с заготовкой, ß ходе эксперимента произведен ряд опытов для определения жёсткости переднего центра и заднего центра токарного станка И для выявления их влияния на качество получаемой после ультразвуковой финишной обработки поверхности.

Также в третьей главе рассмотрена методика исследования влияния электро-акустических параметров ультразвуковой системы, статического усилия прижима и геометрии индентора на глубину внедрения. Определение глубины внедрения инструмента в заготовку производилось опытным путём для исследуемых марок материала в статическом положении (без подачи). Глубина внедрения определялась цифровым микроскопом по геометрии пятен контакта, измерение линейных размеров пятна производились в программе Adobe Photoshop 5.0 и пересчитывались в действительный размер (находилось отношение полученных размеров отпечатка к увеличению микроскопа). После измерений производился расчёт глубины внедрения индентора (рисунок 4).

Рисунок 4. (.'лед сферического индентора на цилиндрической заготовке

(60х)

Эксперименты проводились на образце из стали 40Х (исходная шероховатость поверхности Ка = Змкм) индентором с радиусом 10мм, а также на образце из стали 08Х18Н10Т (исходная шероховатость поверхности Ка =

1,65мкм у заднего центра и На = ! ,2мкм у переднего центра) индентором с

радиусом 10мм, а также на образце из стали 08Х18Н10Т (исходная шероховатость поверхности 11а - 1,4мкм у заднего центра и 11а = 0,7мкм у переднего центра) индентором с радиусом 6мм в 8 сечениях. В каждом сечении при неизменном статическом усилии получали 5 пятен контакта при 4-х различных мощностях генератора и без наложения колебаний, равномерно распределяя их по окружности в соответствующем сечении

В результате опытов получено значение глубины внедрения индентора в зависимости от его конфигурации, статического усилия прижима и ступени работы генератора (динамическая глубина внедрения)

На основании полученных значений глубины внедрения индентора и возможности расчета статической глубины внедрения, исходя из твердости материала заготовки, стал возможен расчёт амплитуды колебаний индентора в зависимости от его геометрии, уровня мощности генератора и статического усилия прижима.

План проведения исследований по выбору рациональных режимов ультразвуковой финишной обработки основывается на методе линейно-регрессионного анализа данных План эксперимента представляет собой план Хартли-Коно для числа факторов р = 4 По данному плану проводились 18 опытов по ультразвуковому выглаживанию на различных режимах

В четвертой главе приведены результаты исследований и проведенных экспериментов Анализ данных проведенного исследования осуществлялся с использованием компьютерного пакета регрессионного анализа данных. Пакетом предсказывалось значение шероховатости для каждого опыта, и определялись коэффициенты уравнения регрессии, по которым составлялась математическая модель Адекватность модели проверялась по критерию Фишера при 5%-уровне значимости, а значимость по критерию Стьюдента Все незначимые коэффициенты исключались, а значимые анализировались повторно

В результате для стали 17Х18Н9Т получена следующая математическая модель

Ка=0,3268+0,77178-8-0,00159 Р-3,1 10"6 N2+0,198-10"6-У Р

Для стали 20Х1М1Ф1ТР получается уравнение Ка=-0,41495+0,13944-8+0,00671-Р+0,00233 N-3 10"6 V Б+0,01345 8-Ы-0,4-10"6 Б Ы

где V — скорость вращения заготовки, об/мин;

в — подача, мм/об;

Б - усилие прижима индентора к заготовке, Н;

N - мощность генератора, Вт

На основании разработанной математической модели появилась возможность прогнозировать изменение глубины внедрения индентора в зависимости от его геометрии, жёсткости технологической системы, статической силы прижима, твёрдости обрабатываемого материала и жёсткости пружины ультразвуковой головки. В результате опытов получена математическая формула определения значения глубины внедрения индентора в зависимости

ю

от его конфигурации, статического усилия прижима и мощности генератора (динамическая глубина внедрения)

Установленное изменение глубины внедрения индентора в зависимости от его геометрии, обрабатываемого материала и жесткости технологической системы при статическом нагружении, показано на рисунке 5, а от мощности генератора при наложении ультразвуковых колебаний на рисунке 6

| О 82 ■-------------^—----гЬ^-

06 -—.-1-Г-,-"1--,-1-.-1--

О 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 координата положения индентора подлине заготовки, мм

-4 - 08X18Н10Т (Ч=6мм -3 -08Х18Н10Т1Ч=10мм

-2 - 20Х1М1Ф1ТР Н=6мм -1 -20Х1М1Ф1ТР К=10мм

Рисунок 5 Изменение глубины внедрения индентора по длине заготовки

Н мга I

-Рст1=46Н -Рсг2=91Н -Рсг3=13бн -Рст4=182Н

44 88 132

Ступени генератора О/Уэлектр Вт)

176

Рисунок 6. Изменение глубины внедрения индентора при наложении колебаний от мощности и статического усилия прижима.

Определенные при этом амплитуды колебаний позволили построить зависимости, приведенные на рисунке 7, и по результатам измерений установить зависимость глубины вдавливания индентора от статической силы прижима при изменении радиуса индентора и положения инден гора по длине обрабатываемой поверхности (рисунок 8).

Ао, тки

12

10 8 6 А 2 0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Рисунок 7 Амплитуда колебаний индентора на различных режимах работы генератора

М, мкм

20

18 16 14 12 10

5

6 4 2 О

-R=10мм (задний центр) — — R=6mm (задний центр)

-R=6mm (передний центр) ----R=10мм (передний центр)

Рисунок 8 Зависимость глубины внедрения индентора

от геометрии инден-шра

По обобщенным результатам исследования была получена математическая модель зависимости шероховатости поверхности, получаемой за счет ультразвуковой финишной обработки, от взаимного влияния следующих

-1Л?эл1

---\Л/эл2

- Wsjt3 -УУэл4

Рет Н

факторов: радиуса индентора в горизонтальной плоскости, радиуса инденто-ра в вертикальной плоскости, длины заготовки, диаметра заготовки у заднего центра, диаметра заготовки у переднего центра, исходной шероховатости поверхности заготовки у заднего центра, исходной шероховатости поверхности заготовки у переднего центра, амплитуды колебаний индентора, статической сила прижима, твёрдости материала заготовки, модуля упругости материала, жесткости переднего центра, жёсткости заднего центра, жесткости пружины индентора, координаты точки внедрения инструмента, координата конечной точки обработки Алгоритм модели представлен на рисунке 10. Зависимость шероховатости, полученной методом ультразвуковой финишной обработки (1Ц_уфо) от исходной шероховатости поверхности (Да_исх) и динамической глубины внедрения (Ьдин) на рисунке 9.

йа_уфо, мкм

0,1 ОД (М 0/1 0,5 0.6 0,7 0,8 0,9 1 11 13 1,4 !,6 17 1,8 г 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2 7 3

Рисунок 9. Зависимость шероховатости поверхности, получаемой после ультразвуковой обработки, от исходной шероховатости и динамической глубины внедрения

Алгоритм математической модели

Рисунок 10. Алгоритм математической модели.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Выполненный комплекс лабораторных исследований и производственных испытаний позволили решить актуальную научно-техническую проблему повышения качества поверхности изделий из низкоуглеродистых легированных сталей.

1. Выявлены технологические параметры ультразвуковой обработки, позволяющие получить повышение качества поверхности на исследуемых материалах по критерию шероховатости от Ла = Змкм до Яа = 0,05мкм

2 На основе проведенного анализа и расчетов выявлено и экспериментально подтверждено, что следующие параметры ультразвуковой финишной обработки, технологические режимы (частоты вращения детали, подачи, мощности генератора и статического усилия прижима индентора к заготовке), форма индентора и площадь контакта индентора с заготовкой, глубина внедрения индентора, позволяют улучшить качество поверхности

3 Предложена математическая модель, описывающая изменение шероховатости под влиянием режимов ультразвуковой обработки, и позволяющая назначать эти режимы при разработке технологических процессов

4 Разработана модель зависимости шероховатости поверхности от взаимного влияния следующих факторов жесткости системы, статической силы прижима индентора к заготовке, площади контакта индентора с заготовкой, статической глубины внедрения индентора, динамической глубины внедрения индентора и исходной шероховатости поверхности заготовки.

5 Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс при проведении лабораторных работ по дисциплине «Электрофизические и электрохимические методы обработки».

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях. 1 Неклюдов А Г , Обловацкая Н С, Байдакова В В. Оптимизация режимов ультразвуковой финишной обработки // Вопросы технологии, эффективности производства и надежности. - 2000, выпуск №19, с 21-25

2. Неклюдов А.Г , Обловацкая Н С Определение рациональных режимов ультразвуковой финишной обработки // Тезисы доклада на Научно-технической конференции Архангельской области «XXXI Ломоносовские чтения» - Северодвинск, 2002

3. Обловацкая Н С. Повышение качества поверхностного слоя сталей методом ультразвуковой финишной обработки // Тезисы доклада на Научно-практической конференции «100 лет Российскому подводному флоту» - Северодвинск, 2006.

4. Обловацкая Н С Исследование влияния режимов ультразвуковой финишной обработки на качество поверхностей судового машиностроения // Сборник докладов на научно-практической конференции Севмашвтуза «Проблемы корабельного машиностроения», выпуск №5, - с 8-13

5 Малыгин В.И, Коломеец Н П., Обловацкая Н.С Исследование влияния ультразвуковой финишной обработки на параметры поверхностного слоя из-

делий И Технология судового машиностроения. - Северодвинск, ГРЦАС, 2007 -с27-31

6 Малыгин В И, Коломеец Н П, Обловацкая Н С К вопросу о повышении качества поверхностного слоя изделий методом ультразвуковой финишной обработки // Технология судового машиностроения - Северодвинск. ГРЦАС, 2007 -с 32-34

7 Рогов В А, Малыгин В И, Коломеец Н П, Обловацкая Н С Повышение качества поверхностного слоя изделий методом ультразвуковой финишной обработки // Технология машиностроения - 2007 - №10, - с 17-20

1б

Обловацкая Наталья Сергеевна (Россия)

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ МЕТОДОМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ

Диссертация посвящена разработке методики корректировки технологических параметров ультразвуковой финишной обработки изделий из низкоуглеродистых легированных сталей, позволяющих повысить качество поверхности по критерию шероховатости Предложена компьютерная модель зависимости шероховатости поверхности от взаимного влияния следующих факторов: жесткости системы, статической силы прижима индентора к заготовке, площади контакта индентора с заготовкой, статической глубины внедрения индентора, динамической глубины внедрения индентора и исходной шероховатости поверхности заготовки.

Natalya Sergeevna Oblovatskaya (Russia)

INCREASE OF SURFACE QUALITY OF LOWCARBON STEEL MADE PARTS BY ULTRASONIC FINISH TREATMENT

The thesis is devoted to the methodic development of technological options updating of lowcarbon alloyed steels made parts by ultrasonic finish treatment's technological paramétrés wich can increase the surface quality by criterion of roughness Author offers the computer model of surface quality by criterion of roughness dependence from interference of the factors- system toughness, static pressure by indenter to the billet surface, contact area, indenter intrusion static depth, dynamic indenter intrusion depth and billet surface starting roughness.

Отпечатано в ООО «Оргсервис—2000» Подписано в печать 27.09 07 Объем 1,06 п.л. Формат 60x90/16. Тираж 100 экз Заказ № 27/09-4Т 115419, Москва, Орджоникидзе, 3

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ.

1.1 Выбор критериев качества обработанной поверхности.

1.1.1 Геометрические показатели как критерии качества поверхности.

1.1.2 Параметры, определяющие физико-механические свойства поверхности.

1.2 Анализ факторов, определяющих качество поверхности при различных видах обработки.

1.3 Постановка цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИССЛЕДУЕМЫХ ПРОЦЕССОВ.

2.1 Модель процесса деформирования микронеровностей.

2.2 Модель влияние глубины и геометрии индентора на качество обработанной поверхности.

2.3 Амплитуда колебаний индентора.

2.4 Выводы по главе.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1 Описание экспериментальной технологической системы для ультразвуковой финишной обработки.

3.2 Методика определения выходных характеристик экспериментальной установки.

3.3 Методика выбора режимов обработки.

3.4 Методика определения показателей качества поверхности.

3.4.1 Методика определения изменения шероховатости поверхности заготовки, обработанной резанием.

3.4.2 Методика определения шероховатости поверхности.

3.5 Методика определения жесткости технологической системы.

3.5.1 Методика исследования влияния электро-акустических параметров ультразвуковой системы, статического усилия прижима и геометрии индентора на глубину внедрения.

3.5.2 Динамическая глубина внедрения.

3.5.3 Методика расчета амплитуды колебаний индентора.

3.5.4 Определение влияния статической глубины внедрения индентора и его геометрии на качество поверхности.

3.6 Разработка плана эксперимента.

3.7 Выводы по главе.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1 Результаты исследования режимов обработки.

4.2 Влияние статической глубины внедрения индентора и его геометрии на качество поверхностного слоя.

4.3 Анализ результатов исследований.

4.4 Вывод коэффициента для математической модели.

4.5 Влияние геометрии индентора на глубину внедрения.

4.6 Зависимость амплитуды колебаний индентора от статического усилия прижима.

Современный научно-технический прогресс в машиностроении сопровождается непрерывным повышением скорости и мощности машин. Создание передовых конструкций деталей современного машино- и судостроения невозможно без одновременного ответа на ряд вопросов, связанных с технологичностью, экономичностью и долговечностью изделий. При этом особое внимание уделяется повышению производительности, заданной по чертежу точности размеров и формы и необходимых физико-механических свойств поверхностного слоя.

Усложнение условий работы обуславливает необходимость постоянного улучшения эксплуатационных свойств деталей. Эта задача решается как созданием новых более совершенных конструкционных материалов, так и совершенствованием технологии изготовления деталей, и, в первую очередь, повышением качества их чистовой обработки, предопределяющей состояние рабочих поверхностей.

Эксплуатационная надежность изделий машиностроения, работающих, в том числе, в условиях агрессивных сред, холода и кавитации, в значительной степени определяется качеством обработанных поверхностей. Разработка, исследование и внедрение в производство новых методов финишной обработки, повышающих качество поверхности изделий, получили широкое применение во всех отраслях металлообрабатывающей промышленности.

Основным методом механической обработки в холодном состоянии продолжает оставаться обработка металлов резанием. Недостатками такого способа являются, чаще всего, нарушение целостности волокон материала, насыщение металла при абразивной обработке абразивными частицами, а также возникающие при обработке отходы, увеличивающие затраты на материал. Известно, что обработка металлов резанием связана с более интенсивным износом инструмента, снижением стойкости и точности обработки. Методы лезвийной обработки, в силу известных причин, создают в поверхностных слоях изделий напряжения, рано или поздно сказывающиеся на эксплуатационной долговечности. Наиболее перспективным решением проблемы в этом направлении является замена обработки резанием обработкой давлением, основанной на пластическом деформировании металлов в холодном состоянии.

Работами по изучению механизма холодного пластического деформирования, основных кинематических и динамических зависимостей различных процессов, по влиянию холодной пластической деформации на физико-механические свойства металлов и сплавов занимаются предприятия, научно-исследовательские и проектно-технологические институты. Этой теме посвящены исследовательские работы Ю.Г.Шнейдера, И.В.Крагельского, В.Н.Подураева, Д.Д.Папшева, А.И.Маркова Л.А.Хворостухина, А.Г.Суслова и других авторов.

Методы пластического деформирования, например, обкатка роликами или шариками, описанная в работах А.И.Маркова, В.А.Горохова, Ю.Г.Шнейдера, В.М.Смелянского в какой-то степени снижают остроту проблемы. Описанные выше и широко применяемые способы поверхностного пластического деформирования позволяют упрочнить поверхностный слой, сохранить целостность волокон металла, часто позволяют повысить износостойкость и микротвердость поверхности.

Следует отметить, что взаимосвязь параметров качества поверхности деталей и их эксплуатационных свойств стала одним из основных направлений исследований в области машиностроения. Поверхностный наклеп оказывает благоприятное воздействие на сопротивление деталей разрушению при переменных нагрузках, на повышение выносливости деталей на воздухе и в других средах. Он особенно эффективен для деталей, имеющих концентраторы напряжений (надрезы, коррозионные повреждения, сварные швы), деталей и изделий сложной формы (лопатки турбин, крыльчатки, диски компрессорных установок и т.д.), которые работают в тяжелых условиях: при знакопеременных нагрузках, в агрессивных средах, с высокой частотой вибраций.

И, тем не менее, как свидетельствует опыт предприятий Государственного Российского центра атомного судостроения, технологические методы повышения долговечности изделий, требующих большого запаса прочности, далеко не исчерпаны.

По характеру силового воздействия на поверхностный слой детали указанные методы пластического деформирования являются статическими, поэтому из-за относительно малых давлений и невысокой величины скоростей деформации не позволяют достаточно полно использовать способность металлов к упрочнению. Однако, если заменить статический способ силового воздействия на импульсный, возможно значительно повысить производительность и качественные характеристики процесса пластического деформирования.

Одним из таких, еще в недостаточной степени изученных методов, является ультразвуковая обработка поверхностей, позволяющая получать в некоторых случаях значительно лучшие результаты по сравнению со статическими методами. Ультразвуковые колебания значительно интенсифицируют процесс пластической деформации поверхностного слоя металла и позволяют вести его при значительно меньших статических силах. Ультразвуковая обработка является методом упрочняюще-чистовой обработки поверхности, который позволяет ликвидировать дефекты, созданные в поверхностном слое на предшествующих операциях резания, упрочнить поверхностный слой и создать в нем сжимающие напряжения, что положительно сказывается на долговечности деталей. Простота процесса и оснастки, возможность использования универсального металлорежущего оборудования располагают к применению метода в технологических процессах обработки деталей. Небольшие усилия, прилагаемые к детали, позволяют распространять высокоэффективную обработку поверхностным пластическим деформированием на тонкостенные и маложесткие детали.

Однако говорить об универсальности данного метода не приходится, и установление области его применимости для конкретных марок материалов, их свойств после обработки и технологических режимов обработки является задачей, вне всякого сомнения, актуальной.

Особый интерес представляют процессы обработки низколегированных сталей, наиболее часто применяемых в современном машиностроительном производстве. Успешное решение указанных задач невозможно без внедрения последних достижений теоретических и практических вопросов повышения пластичности обрабатываемого материала в очаге деформации. В то же время отсутствуют методики, позволяющие назначать технологические режимы обработки для достижения необходимых критериальных значений качества поверхности изделий из различных марок обрабатываемых материалов.

Целью работы является повышение качества поверхности изделий из низкоуглеродистых легированных сталей путем ультразвуковой финишной обработки за счет учета и коррекции режимов, устанавливаемых при компьютерном моделировании.

Для достижения поставленной цели определены задачи исследования:

1. Выявление основных параметров, влияющих на шероховатость поверхности, полученной в результате ультразвуковой финишной обработки.

2. Моделирование зависимости качества поверхности от изменения выделенных параметров.

3. Проведение экспериментов по ультразвуковой финишной обработке образцов с применением инденторов различной геометрии.

4. Определение зависимости качества поверхности от глубины внедрения и геометрии индентора с учетом влияния жесткости технологической системы.

5. Разработка математической модели шероховатости поверхности, получаемой при ультразвуковом выглаживании.

Методы исследования: решение поставленных задач осуществлялось проведением теоретических и экспериментальных исследований, разработкой технологических решений и практическим применением полученных результатов. Теоретико-экспериментальные исследования заключались в выявлении совокупного влияния технологических факторов на шероховатость получаемого методом ультразвуковой финишной обработки поверхностного слоя детали. Использованы основные положения теории упругости, пластичности, технологии металлов и металловедения, физических методов обработки. Научная новизна работы: разработана методика определения влияния параметров и режимов ультразвуковой финишной обработки на шероховатость поверхностного слоя обрабатываемых изделий из низкоуглеродистых легированных сталей; путем компьютерного моделирования установлены зависимости глубины внедрения индентора и амплитуды колебаний от статического усилия прижима, а также зависимость шероховатости поверхности от взаимного влияния режимов при ультразвуковой финишной обработке низкоуглеродистых легированных сталей.

Практическая полезность диссертационной работы заключается в следующем: на этапе моделирования прогнозируется качество поверхности изделий из УФО низкоуглеродистых легированных сталей в зависимости от режимов УФО; разработаны практические рекомендации по выбору режимов УФО, позволяющих значительно снизить шероховатость поверхности применяемой в технологических процессах обработки изделий.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Выявлены технологические параметры ультразвуковой обработки, позволяющие получить повышение качества поверхности на исследуемых материалах по критерию шероховатости от Ra = Змкм до Ra = 0,05мкм.

2. На основе проведенного анализа и расчетов выявлено и экспериментально подтверждено, что следующие параметры ультразвуковой финишной обработки: технологические режимы (частоты вращения детали, подачи, мощности генератора и статического усилия прижима индентора к заготовке), форма индентора и площадь контакта индентора с заготовкой, глубина внедрения индентора, позволяют улучшить качество поверхности.

3. Предложена математическая модель, описывающая изменение шероховатости под влиянием режимов ультразвуковой обработки, и позволяющая назначать эти режимы при разработке технологических процессов.

4. На базе моделируемых процессов выполнены исследовательские работы по разработке методики проведения эксперимента и установления математических зависимостей, позволяющих прогнозировать шероховатость обрабатываемой ультразвуком поверхности.

5. Разработана модель зависимости шероховатости поверхности от взаимного влияния следующих факторов: жесткости системы, статической силы прижима индентора к заготовке, площади контакта индентора с заготовкой, статической глубины внедрения индентора, динамической глубины внедрения индентора и исходной шероховатости поверхности заготовки.

6. Предложены практические рекомендации по назначению режимов ультразвуковой обработки для изделий из низкоуглеродистых легированных сталей.

Таким образом, выполненный комплекс лабораторных исследований и производственных испытаний позволили решить актуальную научно-техническую проблему повышения качества поверхности изделий из низкоуглеродистых легированных сталей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе выполнен системный анализ известных работ в области существующих конструктивных решений обозначенной актуальной проблемы. Обозначены основные направления исследования. Сформулирована цель и задачи диссертационной работы.

Разработка теоретических положений и создание на их основе математической модели зависимости шероховатости поверхности от взаимного влияния различных факторов ультразвуковой обработки стало возможным благодаря комплексному использованию теоретических и экспериментальных методов исследования. Решение поставленных в работе задач базируется на строго доказанных выводах фундаментальных и прикладных наук, таких как технология машиностроения, материаловедение, математический анализ, математическая статистика и планирование эксперимента. Разработанные новые технические решения опробованы экспериментально на лабораторной базе филиала «Сев-машвтуз» ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» и экспериментальной базе научно-исследовательского технологического центра ФГУП ПО «Севмаш».

Практическая полезность результатов работы:

Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс при проведении лабораторной работы «Влияние ультразвуковых колебаний на процесс пластического деформирования поверхностного слоя деталей» по дисциплинам «Теория резания», «Электрофизические и электрохимические методы обработки», «Технологии поверхностных слоев деталей машин» (акт внедрения представлен в приложении 9). Результаты работы используются в производственном процессе при изготовлении детали «Шток» из низкоуглеродистой легированной стали (акт внедрения представлен в приложении 10) и в научно-исследовательских разработках НТЦ «Базис» в виде рекомендаций по выбору технологических режимов (акт внедрения представлен в приложении 11).

Разработанные в диссертационной работе методики и положения моделирования процессов позволяют повысить эффективность проведения научно-исследовательских работ, а также получить значительный экономический эффект при внедрении технологического процесса ультразвуковой финишной обработки в производство.

1. Абрамов О.В. Опыт применения ультразвука в процессах обработки металлов давлением. -М.: Машиностроение, 1980.415с.

2. Абрамов О.В., Хорбенко И.Г., Швегла Ш. Ультразвуковая обработка материалов. -М.: Машиностроение, 1984.237с.

3. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. М.: Наука, 1983.280с.

4. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Иностр. лит., 1957.152с.

5. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1986.232с.

6. Биргер И.А. Прочность и надежность машиностроительных конструкций. Избранные труды. Уфа, ГМФМЛ, 1998.350 с.

7. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов М.: Машиностроение, 1975.344с.

8. Браславский В.М. Технология обкатки крупных деталей. М.: Машиностроение, 1975. 215с.

9. Высокоскоростная деформация. Вопросы поведения металлических материалов при импульсном напряжении/ Под ред. М.Г. Лозинского// Мат. 1-го НТС по теории и практике высокоскоростной деформации. М. Наука, 1971. 128 с.

10. Головань А.Я., Грановский Э.Г., Машков В.Н. Алмазное точение и выглаживание. М.: Машиностроение, 1976.32с.

11. Горохов В.А. Улучшение эксплуатационных свойств деталей и инструментов методами вибронакатывания и вибровыглаживания М., Центральное управление НТОмашпром. 1983, 61 с.

12. Горохов В.А. Чистовая обработка титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1975.109с.

13. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. М.: Высшая школа, 1985.304с.

14. Грачев Ю. П., Плаксин Ю. М. Математические методы планирования экспериментов: Учеб. пособие для вузов. М.: ДеЛи, 2005.296с.

15. Гринченко И.Г. Упрочнение деталей из жаропрочных и титановых сплавов. -М.: Машиностроение, 1971.120с.

16. Громов Н.П. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1978.360с.

17. Турин Ф.В., Смелянский В.М. Шероховатость и отклонение формы при алмазном выглаживании жестким инструментом. Минск, АН БССР, 1968.102с.

18. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных. М.: Мир, 1980.210с.

19. Иванов Г.П., Картонова Л.В., Худошин А.А. Повышение износостойкости деталей созданием регулярной гетерогенной макроструктуры// Строительные и дорожные машины, 1997, №1.с.33-34.

20. Изготовление деталей пластическим деформированием. Под ред. К.Н. Богоявленского, П.В. Камнева.Л., «Машиностроение», 1975. 424с.

21. Казанцев В.Ф. Расчет ультразвуковых преобразователей для технологических установок. М. Машиностроение 1980.168с.

22. Киричек А.В., Соловьёв Д.Л., Киричек Ю.Н. Выбор параметров статико-импульсной обработки по заданным показателям качества поверхностного слоя. / Упрочняющие технологии и покрытия. 2005. №1, М.: Машино-строение.с32.

23. Киричек А.В., Соловьёв Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. -М.: Машиностроение, 2004.288с.

24. Коломеец Н.П. Улучшение свойств изделий из конструкционных сталей и сплавов методом силового воздействия ультразвуковым инструментом// Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук. Москва, МГТУ «СТАНКИН». 2003. 153 с.

25. Коломеец Н.П., Михайлов B.C. Применение ультразвуковой технологии для упрочнения сварных соединений и суперфинишной обработки деталей узлов трения. // Технология судостроения и машиностроения, 2001, №4, с.32-33.

26. Корсаков B.C. Точность механической обработки. М., Машгиз, 1961.132с.

27. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчётов на трение и износ. М., Машиностроение, 1977. 526 с.

28. Кудрявцев И.В. Поверхностный наклеп для повышения прочности и долговечности деталей машин. М.: Машиностроение, 1969.114с.

29. Кумабэ Д. Вибрационное резание / Пер. с яп. C.J1. Масленникова. М.: Машиностроение, 1985.230с.

30. Медведев А.Г. Новая продукция и новая технология в стратегии технического развития машиностроения. JI. Машиностроение 1988г.54с.

31. Марков А.И. Применение ультразвука в промышленности. М.: Машиностроение, 1975.150с.

32. Марков А. И. Ультразвуковая обработка материалов. М.: Машиностроение, 1980.237с.

33. Марков А. И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. М.: Машиностроение, 1968,365 с.

34. Марков А. И., Устинов И. Д. Ультразвуковое алмазное выглаживание деталей и режущего инструмента. М., Центральное правление НТО Маш-пром, 1979, 54 с.

35. Маталин А.А. Технология машиностроения JL: Машиностроение, 1985.512с.

36. Маталин А.А. Технология механической обработки. -Л.: Машиностроение, 1977.416с.

37. Научно-технический прогресс, выпуск №17 «Проблемы точности и технологии в машиностроении», 1998.

38. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным деформированием: Справочник/ Л.Г. Одинцов. -М.: Машиностроение, 1987.340с.

39. Папшев Д. Д. Отдел очно-упрочняющая обработка поверхностно-пластическим деформированием. М.: Машиностроение. 1978.152с

40. Подураев В.Н. Технология физико-химических методов обработки. М.: Машиностроение, 1985.264с.

41. Подураев В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов. Учебное пособие для вузов. М., «Высшая школа», 1974.578с.

42. Поляк М. С. Технология упрочнения. Технологические методы упрочнения. В 2-х т. Т. 2. М.: Машиностроение, 1995. - 688 с.

43. Прилуцкий В.А. Технологические методы снижения волнистости поверхностей.-М.: Машиностроение, 1978.136с.

44. Розенберг Л.Д., Казанцев В.Ф., Макаров Л.О. Ультразвуковое резание. М. Изд-во АН СССР, 1962.

45. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. М, Машиностроение, 2002 г.ЗООс.

46. Статников Е.Ш. Разработка и исследование ультразвуковых устройств целевого технологического назначения. / Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук в форме научного доклада. М.: АКИН, 1982.

47. Сулима A.M. Поверхностный слой / A.M. Сулима, В.А. Шулов, Ю.Д. Ягодкин.- М.: Машиностроение, 1988.240с.

48. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000.320с.

49. Терентьев В.Ф. Циклическая прочность металлических материалов, М.: Машиностроение,2001.280с.

50. Технология поверхностной пластической обработки. Пшибыльский В.: Пер. с польск. М.: Металлургия, 1991.479 с.

51. Толстая М. А., Хворостухин JI. А., Солодкина В. В., Логвиненко Б. В. Влияние алмазного выглаживания поверхности стали Х12Н9Т на ее коррозионное и электрохимическое поведение. / «Защита металлов», в.9, 1973, № 1, с. 41—52.

52. Торбило В.М. Алмазное выглаживание. М.: Машиностроение, 1972.324с.

53. Хворостухин Л.А., Шишкин С.В., Ковалев А.П., Ишмаков Р.А. Повышение несущей способности деталей машин поверхностным упрочнением. М, Машиностроение, 1988 г.144с.

54. Хворостухин Л. А., Машкии В. Н., Чабан С. А. Влияние алмазного выглаживания на износостойкость деталей, подвергнутых химико-термической обработке.— Сб. «Технология машиностроения». Брянск, 1973.56с.

55. Холопов Ю.В. Зинченко А.Г. Савиных А.А. Безабразивная ультразвуковая финишная обработка металлов. Ленинград, ЛДНТП, 1988

56. Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. Л., Машиностроение, 1982. 248с.

57. Шнейдер Ю.Г. Технология финишной обработки давлением: Справочник. СПб.: Политехника, 1998.414 с.

58. Шнейдер Ю.Г. Холодная бесштамповая обработка металлов давлением. -Л., 1967.350с.