автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка динамики продольно-крутильных волноводов применительно к процессу электроакустического напыления при упрочнении режущего инструмента

ргь ОН

л ц |\£Л Ш

На правах рукописи

КУДРЯПИВ СКРГПЙ БОРИСОВИЧ

РАЗРАБОТКА ДИНАМИКИ ПРОДОЛЫЮ-КРУТИЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРОЦЕССУ

ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ ПРИ УПРОЧНЕНИИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Специальность 05.03.01. - Процессы механической и фшико-тсхничесхоМ обработки, станки и инструмент

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ростов - на-Дону

Работа выполнена на кафедре «Автоматизация производственных процессов и производств» Донского государственного технического университета

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор В.С. МИНА КОВ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук.

профессор М.А. КРАПЛИН кандидат технических наук, Ф.З. ХАЧАТУРЯН

Ведущее предприятие:

АО «Ростсельмаш

Заседание состоится «29» декабря 1998 г. в 10 часов на заседании диссертационного Совета Д 063.27.03 в Донском государственном техническом университете по адресу: 344010, г.Ростов-на-Дону, пл.Гагарина, 1, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ДГТУ.

Отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью, просим высылать в диссертационный Совет по указанному адресу.

Автореферат разослан «20 » ноября 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета

д. т.н. профессор Чукарин А. 11.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы: Повышение качества, надежности и долговечности -деталей машин, режущих инструментов и штамновой оснасгки является одном in важнейших проблем научно-технического прогресса. Решение се прямым обр;: зом связано с созданием новых и интенсифицированных технологических процессов на базе эффективного использования различных видов энергии с целыо обеспечения требуемого комплекса технологических и эксплуатационных характеристик машин и аппаратов.

При современных масштабах производства продукции машиностроения особое значение приобрела также проблема экономии материальных и энергети ческих ресурсов за счет уменьшения объема обработки резанием, применения . эффективных методов формообразования, широкого использования упрочняющей и восстанавливающей технологий.

В связи с этим актуальным является поиск научно-технических решений, направленных на разработку новых и интенсификацию существующих технологических процессов машиностроения, базирующихся на глубоких научных обобщениях, на быстром развитии технологической пауки и по своей направленности, методологии и проникновению в сущность исследуемых янлении все более приобретает характер фундаментальной науки

Одним из таких решений является широкие использование энергии трансформируемых ультразвуковых колебаний (УЗК), позволяющих создавать принципиально новые технологии, отличающиеся высокой эффективностью и стабильностью. Кроме того, исключительная технологическая гибкость трансформации УЗК даст возможность во многих случаях интенсифицировать действующие технологические процессы.

Необходимым условием высокоэффективного использования энергии комплексных УЗК в технологической практике язляется целенаправленная их трансформация с учетом специфики того или иного процесса путем контролируемого воздействия на все наиболее существенные параметры, характеризую-

3

щие служебное назначение изделия. В связи с этим, актуально проведение специальных исследований) связанных с целенаправленным управляемым воздействием трансформируемых УЗК в комплексном процессе элекгроакустического упрочнения режущего инструмента с целью увеличения его износостойкости и долговечности при одновременном улучшении качества изделий и производительности процесса.

Однако к началу выполнения настоящей работы использование в отечественном и зарубежном машиностроении энергии трансформируемых ультразвуковых колебаний в научном и технологическом аспектах было недостаточно обеспечено. Теория трансформации УЗК была разработала в общем виде, что не давало возможность без дополнительных экспериментов рассчитывать нродоль-но-крутильные волноводы. Это существенно ограничивало широкое использование энергии ультразвуковых (УЗ) продольно-крутильных колебаний.

В связи с этим целью диссертационной работы является: повышение производительности и качества изделий машиностроения за счет увеличения износостойкости режущего инструмента путем развития основных положений теории динамики трансформации УЗК и применения электроакустического напыления (ЭЛЛП).

Научная новизна работы заключается в обобщении теоретических и экспериментальных исследовании физических процессов и явлений, протекающих иод действием комплексных УЗК в рамках технологическою процесса упрочнения режущего инструмента. Научную основу этого процесса составили новые теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, которые и выносятся на защиту:

1 аналитическое определение жеа коа и при кручении естественно закрученных стержней (волноводов);

2 решение задачи расчета продольно-крутильных УЗ волноводов технологического назначения;

3 разработка инженерной методики и пакета прикладных программ для расчет а продольно-крутильных УЗ волноводов технологического назначения с задан -

_____ным направлением вектора колебательной скорости:------------------------------------------

4 исследование эффективное:!! продолыю-крулильных УЗ'Я при ОЛЛП;

5 аналитическое исследование -электроискрового процесса з неформальном (продольно-крутильном) ультразвуковом поде;

6 эксиерименгалыше промышленные исследования износостойкое!и конструкционных сталей и режущего инструмента, упрочненного методом ЭЛАН и ш:едрс..ие полученных речулмгнов в ирочэводстр.я.

Практическая ценность работы состоит в развитии базы для решения важной задачи машиностроения по целенаправленному созданию новь'х высокоэффективных технологических процессов и интенсификацию существующих на основе использования высококонцентрированных источников энергии электрической искры и неформального УЗ поля.

Разработаны паке;- прикладных программ и методика инженерного расчета продольно-крутильных УЗ волноводов технологического назначения, позволяющая решить задачи анализа и синтеза данного типа волноводов.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы обсуждены на Всероссийской научно-технической конференции «Современна« электротехнология в машиностроении» 'Гула 1997 год, на V Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем Ростов-на-Дону 199? год, па научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Донского государственного технического университета г. Ростов-на-Дону 1994-1997 год.

Отдельные части работы выполнялись в соответствии с гемапжой но единому заказ-наряду Министерства ебщего и профессионального образования РФ в 1996 I оду «Дискретное управление износостойкостью режу шею инструмента в автоматизированном производстве», в 1997 году «Комплексная рафа-ботка процесса дискретного управления износостойкостью режушею инстру-

5

Meirra и технологии многофункциональной диагностики металлообработки в автоматизированном производстве».

В 1998 году проект, в основе которого лежат основные положения диссертационной работы, решением Научного Совета МНТП «Ресурсосберегающие технологии автомобильного и тракторного машиностроения» включен в тематический план на 1998-2000 годы.

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из ведения, 5 глав заключения и основных выводов. Работа содержит 196 страницы машинописного текста; список литературы из 148 наименований; 42 рисунка, 13 таблиц и приложения на 28 страницах.

' СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, научное значение, практическая ценность темы исследования, представлена общая характеристика работы. Сформулирована цель и задачи исследований, а также приводится краткое содержание работы.

В первой главе представлен анализ методов упрочнения режущего инструмента и трансформации ультразвуковых колебаний. Дана оценка известных способов упрочнения и повышения стойкости режущего инструмента. Представлены методы трансформации ультразвуковых колебаний. В основу материалов этой главы положен анализ работ отечественных и зарубежных авторов, в том числе Лазаренко Б.Г., Верхотуров А.Д., Некрашевич И.Г., Подураев В.Н., Гитле-вич А.Е., Агорский A.A., Минаков B.C., Сиротюк М.Г:, Попилов Л.Я., Биргер H.A., Арутюнян Н.Х., и других.

Особое внимание уделено методу электроискрового легирования. Основным недостатком этого метода является низкая производительность, обусловленная невысокой частотой вибраций электрода-инструмента, высокая шероховатость поверхности напыленного слоя, достигающую 80-160 мкм, нестабильность процесса из-за случайного характера ряда физических факторов, огветст-

6

венных за динамику эрозии электродов, массоиеренос эрозионных частиц и процесс легирования, невозможность получения покрытий с варьируемыми пара-

метрами без смены электрода - инструмента. Нами предложено в процесс электроискрового легирования ввесги дополнительный фактор, стабилизирующий процесс, диспергирующий часгицы эрозионного облака и оказывающий сглаживающее и упрочняющее воздействие на покрытие в процессе напыления. Таким фактором является энергия комплексных УЗК. Соединение способа электроискрового легирования с использованием энергии комплексных УЗК является его дальнейшим совершенствованием с получением новых технологических возможностей. Сущность способа заключается в переносе материала с анода на катод под действием электрического искрового разряда импульсного униполярного тока при минимальном межэлектродном зазоре, формируемом амплитудой продольно-крутильных УЗК и в силовом воздействии этих колебаний »а напыленный слой и подложку. В способе электроакустического напыления (ЭЛЛН) электрод - инструмент совершает продолыю-кру гильные УЗК, получаемые благодаря использованию продольной акустической системы, реализующей комплексные ультразвуковые колебания за счет естественно закрученной формы езержня, являющегося последней ступенью концентра юра.

Во второй главе приведены основы теории фапсформации УЗК. Раесмо!-рена математическая модель трансформации и получены уравнения колебаний естественно закрученного волновода.

U{x,t) = U^x)-eikí, <р(х,,)^<р0(х)е'", где Uo(x)m щ(х) - амплитудные множители, которые на конце волновода равны

kl k t к ■ 1 к I

и i cos -а 2 cos cos cos

(>[l) - Ro k-l ' k-t <'IH>{1) R„ k-t к I

cos cos cos cos

<1 c2 <4 ').

Взяв отношения амплитуд при резонансе получаем, чк> разница между резонансными частотами//./? заключается в юм, что если на часкле/ б.иикои к

резонансной//, продольные и крутильные колебания ейнфазпы, то на частоте/ близкой кД эти колебания, напротив, противофазны, и наоборот. Этот вывод следует, ввиду того, что а/ и а2 имеют противоположные знаки

_1_

2-ац

¿О

п

Jí 2 ^

Чтобы рассчитать амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) волновода необходимо определить коэффициенты жесткости а,/, для чего было рассмотрено кручение естественно закрученного волновода.

Жесткость при кручении определяется по формуле

С = Щ\и(г,<р)г(1гс1(р

а

Для определения функции напряжения Ь'(г,<р), удовлетворяющий уравнению Нуассона в области сечения волновода и на контуре его обращающейся в нуль, воспользуемся симметрией области поперечного ссчспия волновода. Эта симметрия позволяет рассмотреть четвертую часть поперечного сечения, которую разобьем натри простейших секториальпые области (рисунок 1), функцию

напряжения и^г.у) в каждой из которых

У А

можно представить в виде

где а -радиус выемки, А-радиус волново-

\ /

да:/ = 1п--, г = а е

а

Для определения функции </>/(/, <р) решаем дифференциальное уравнение

Рисунок I - Сечение волновода

( ¿>4, 0 ?/2 д<рг

при следующих" фаничных условиях

( ^

I

2 V

-фзм-^ФЗ*,.,)-*;

О' (Р I I I

•г ;<р=-<рг

0ФЛ

,1

Ф|(г,0)-Ф2(/,0),

с7Ф|

¿?Ф2 ^ ^=0

Получаем, что жесткость при кручеиии круглого волновода с продольными винтовыми пазами определяется по формуле:

с = 0-

\а)

1 дс

Vя

/г •

2-гГ

1 + с/А(ЯЛ-/|)-

V

л,

-+ 4-/г4 4

<рг ■а

+ лт-а2 „ г-(4 + г2)

Таким образом, определив жесткость при кручении, определяем коэффициенты жесткое! и и рассчитываем ЛЧХ продолыю-крушликмо ио/.ноио, ш.

«! ] = Е ■ £1\ а, 2 = «21 - г0 ■ Л • 7',, >, ип-а-Г, где Л- площадь поперечного сечения; Н- модуль упругости; (} - модуль с/шш и.

0

Ч.

"Со -относительный угол закрученности волновода; Jq = } R2díX-момент инер-

П

ции площади поперечного сечения относительно eco центра; 7q = j(/?2 + </>)гЮ;-

П

геометрическая жесткость на кручение незакрученного волновода;

T = Tq +2 (I + V) tq (j, -Tr°J

где v- коэффициент Пуассона; ./" = ¡R4(/íi; 7>° = |(«4 -(ф)2}ю.

Q П

Аналитическое определение коэффициентов жесткости естественно закрученных продольно-крутильных волноводов является конечным этапом в разви-' тип теории динамики трансформации УЗК, что позволяет решать задачи анализа и синтеза данного типа волноводов (прямая и обратная задачи).

На основе приведенной выше теории динамики трансформации УЗК была разработана инженерная методика и пакет прикладных программ дня расчета продольно-крутильных УЗ волноводов.

Вид АЧХ рассчитанной в случае, если продольно-крутильный УЗ волновод изготовлен их материала ЗОХГСА представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 - АЧХ продольно-крутильного волновода

При изменении частоты происходит изменение направления вектора комплексных нродольно-кру гпльных УЗК, что позволяет получать продольно-крупшьпые колебания с заданным соотношением продольной и крутильной coll)

ставляющей, в том числе и чисто продольные или крутильные. Как показала

праю-ика, данное свойство может найти широкое практическое использование------------

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований для подтверждения правильности теоретических выводов связанных с динамикой трансформации УЗК, приведенных во второй главе. Для снятия АЧХ продольно-крутильного волновода был собран стенд, структурная схема которого представлена на рисунке 3.

1 - генератор ГЗ-ЗЗ; 2 - генератор УЗГ-5: 3 - частотомер 43-33; 4 - магни-тостриктор 11МС1-1; 5 - осциллограф С1-65; 6 - волновод; 7 - освещение;

8 - металлографический микроскоп МИМ-7

Рисунок 3 - Структурная схема экспериментальной установки для сня тия АЧХ волновода

Основная относительная погрешность измерения частоты не превышала ±0,001%. Отсчет амплитуды и угла наклона вектора продольно-крутильных УЗК производился методом прямого наблюдения по шкале окуляра микроскопа с точностью ± 0,5 мкм. Измерения производились в четырех взаимно перпендику' лярных плоскостях для проверки динамической устойчивости по роду колебаний. Для эксперимента были выбраны волноводы из ("тали 45 и тшапоного сплава ВТ 5. Расчетные и экспериментальные АЧХ волноводов представлены на рисунке 4

и

Рисунок 4 - ЛЧХ продольно-крутильного волновода для Сталь45 и ВТ5

Результаты экспериментов показали, что при возбуждении волновода продольной гармонической силой на конце волновода наблюдаются только продольно-крутильные колебания (волновод динамически устойчив по роду колебаний). Экспериментальные пики находятся слева от расчетных, что, очевидно, можно объяснить систематической погрешностью, допущенной при эксперименте.

Появление на экспериментальных АЧХ резонансных пиков менее значительной амплитуды и небольшие пики справа от резонансных, скорее всего можно объяснить тем, что при расчете не было учтено влияние отраженных волн.

Приняв за критерий погрешности отклонение основных резонансных пи-лов (экспериментального и теоретического), получаем что погрешность, не превышает 4%, что вполне допустимо. Хорошее совпадение говорит о том, что основы теории трансформации ультразвуковых колебаний, допущения, а также поставленные граничные условия верны.

В четвертой главе рассматриваются вопросы, связанные с развитием электрической искры в комплексном ультразвуковом поле, а также эффекты электропластичности и исчерпания ресурса вязкости в комплексном ультразвуковом и высокоэнергстическом полях.

Рассмотрим некоторые положения теории развития канала искрового разряда при учете в уравнениях баланса энергии действия высокоэнергстичсского ультразвукового пиля. Основными уравнениями задачи являются уравнения не-

прерывности, движения и переноса энергии с учетом действия комплектного ультразвукового поля, которые имею г вид

¿>! дт гдг с1 г г ' г г

а I

р£ +

рУ

грУ

"¿1

Г 6' /'

//: (г;,

где - плотность, К- скорость, /?- давление, /. - внутренняя энергия па единицу массы газа, ц - поток тепла, у - плотность тока, Е - электрическое ноле, ¿У -вклад ультразвукового ноля.

Если отвод тепла из канала осуществляется прозрачным излучателем, то для области канала можно указать простое автомодельное решение: давление, температура и плотность постоянны по сечению, а скорость пропорциональна радиусу. Все падение температуры сосредоточено в оболочке. Там же поглощается излучение и происходит ионизация гам. поступающего ¡5 капал. Считая оболочку тонкой, можно получил, систему уравнении для основных парамефов канала. В общем случае можно воспользоваться этими уравнеиичмп как магматической моделью, описывающей, хотя и грубо, основные процессы в канале. При этом приближенно учитываются действия ультразвука и теплопроводное/», Уравнения баланса энергии для канала и оболочки имеют вид

(1\У (¡71 (Г

-----= р-------

(Н ' (¡1

р)(1М ... ,, ¿4 ' -----= О, ; (>/:

р) «Л

где М, IV - масса и энергия газа в канале; О - теплоотвод: £), - за счет электрик ского поля: 0„- за счет УЗ поля: О, - излучением; (?«- теплопроводностью.

Для однородной модели положим И - М ■ ¿', Д/ - л ■ а~ р.

Решая уравнения подучили выражение для определения илопюстн юка

/ = ст жсгЕ

где а - радиус канала.

г с г

Рассматривая канал в воздухе, получим выражение

ч]/ -1/ 1' 1/ а = 0,93(1 + в)'6р /6у/3Г 2

На основании построенной сугубо приближенной модели можно сделать следующие выводы о влиянии ультразвука на развитие искрового канала.

1. Радиус канала увеличивается в (1+6)^ раз по сравнению со случаем, когда нет ультразвука, где 6 - отношение энергии электрического и ультразвукового полей.

2. Температура в канале увеличивается пропорционально (1 + 6) в предположении, что отток тепла осуществляется электронной теплопроводностью.

Исследования эффекта электропластичности при деформации и импульсном воздействии высокоэнергетического электромагнитного поля показали, что концентрация высокоэпергетического ЭМ поля (с учетом предварительной пластической деформации) приводит к макроскопическим эффектам (не связанным с разо1ревом): эффект электропластичности, улучшение пластических свойств материала. Концентрация высокоэнергетического температурного поля (после действия ЭМ поля) приводит к микроскопическим эффектам: торможение микротрещин, схлопывание микропор, улучшение прочностных характеристик материала.

Проведено исследование экспериментально наолюдаемого эффекта диспергирования при совместном действии неформального УЗ поля и высокоэнергетического электромагнитного (ЭМ) поля на частицу металла, находящуюся в жидко-капельном состоянии.

Под ресурсом вязкости понимается достижение некоторой предельной скорости деформации, при которой, с использованием идей повреждаемости материала в результате деформирования, можно говорить о преодолении вязкого со-прошвления (разрушения).

Будем считать, что при диспергировании происходит повреждение, ведущее далее к исчерпанию ресурса еязкости. при этом уменьшается полезная (живая)

площадь на любой элементарной площадке материала. Предположим, что относительное уменьшение полезной площади ЛЛ'„ /л'Ц площадки, имсюшсН нормаль п ,- есть функция от нормальной к этой площадке составляющей скорости деформации рп = р,, ■ П[ -пI ( р{у- тензор скорости деформаций).

При действии тока будем считать, что Д5„/5" зависит от нормальной предварительной скорости деформации на площадке с нормштью п. от удельной энергии тока ч и направления действия юка (вектор ц направлен вдоль вектора плотности юка и имеет величину </). Тогда

tsS„ Si

',? \р*) {Р*} U )

где р.-константа материала, /у/, д - некоторые функции. Для определения предельного состояния (исчерпания ресурса вязкости) введем интегральную характеристику О иоврежденности в точке, которая является средним отпоетельным уменьшением полезной площади для всех площхи;н:

i^^-jj^-cosp-ticr-W

сф

где cosfliiadfl- дифференциально малый телесный угол на полусфере Ижегри-ровапие ведстся по всем углам a и Д определяющим нормачь п = (cosa • cos/?, sin a ■ sin p, sin//). для которых p,¡ = p¡¡ -я, ■ п ¡ > tí.

Разрушение наступит, когда Í1 доспи ает кршнческого значения Рассмотрев продольное и крутильное течение и определив предельную скорость деформации можно утверждать о том. что дейст вие высокочастотного 'Х\) поля повышает KTJ |Д ультразвукового диепрегироканпч. К'ачест венная оценка взаимодействия ОМ поля и неформальных улыра.т\коны\ колеоаний нок.ныкл-ет, чю эффект диспергирования существенно но »растает. При чоч patvep по п-чающихся частиц, связанный с коэффициентом поврежденное! ti ie\i мсньа:.

1S

чем выше частота ультразвука. Введение в швесгную модель электроиластично-сти предварительного ультразвукового воздействия качественно изменяет картину происходящих процессов вследствие расплавления металла. Вместо продления ресурса пластичности и улучшении прочностных характеристик наблюдается возможность исчерпания ресурса вязкости как результат затраты дополнительной работы на преодоление вязкого сопротивления.

Данное утверждение подтверждается проведенными экспериментами, показавшими увеличение эффекта диспергирования в комплексном УЗ поле.

Использование данного эффекта позволяет получать обработанную (напыленную) поверхность с шероховатостью 0,63 - 0,32 мкм, при производительности на порядок выше, чем при обычном электроискровом легировании.

Пятая глава посвящена эксперимент&тьным исследованиям, подтверждающим эффективность метода электроакустического напыления (ЭЛАН).

Проведены исследования износостойкости инструментальной стали У10А, упрочненной методом ЭЛАН. Испытание образцов на износостойкость были проведены на машине трения с возвратно-поступательным главным движением. При трении исследуемых образцов применялась смазка - масло «Индустриальное 20». Истиранию подвергались торцевые поверхности образцов упрочненные электроакустическим способом. Для сравнения иснытывались образцы (контрольные) без покрытия. Результаты испытаний на износостойкость упрочненных поверхностей образцов и контрольного образца представленны в виде графиков на рисунках 5,6.

На рисунке 5 показаны зависимости потери массы материала поверхностного слоя контрольного образца от пуги трения, а на рисунке 6 -потеря массы образцов упрочненных твердым сплавом ВК6 и медь+ВКб от пуги трения.

грамм

0.8

0,6 -0,4 ■

0,2 -

0 1- + 5 15

грамм 0.016

Oui.-'

O.OOS

0,004

-1-- Г 1

- ^"Jt

"Я

——f—I

4-4-

25

''HCVHOK 5

-•— BK6 -®-Л!«)б+ДЛ'й PHCVMOV 6

Исследования иа износостойкость показали, чго поверхности упрочненные электроакустическим способом, пугем нанесения однокарбидпого твердого сплава марки ВК6 обладают высокой износостойкостью. Потеря массы у упрочненного образца после 30 км составила 0,0082 г., а у контрольного образца - 0,54 г. Слои полученные при нанесении меди+ВКб по износостойкости уступают более,чем и 3 раза слоям, полученным упрочнением поверхности одним твердым сплавом.

Полученные результаты говорят о том, что электроакустический способ упрочнения позволяет получить на ипсфумсннмыюн стали упрочненный слой облачающий высокой износостойкостью. По ишосостонкости конгрольные образцы из отожженной углеродистой екии уступают в 60-80 раз обрлцам и< '.мои же стали, но после упрочнения'.

Кроме того, были проведены экснеримешы в промышленных условиях iu реальных дет&чях для проверки эффектнвносш Met ода ЭЛАП при упрочнении осевого режущего ннефумента1. Для1 эксперимента были выбраны стандартные сперла из материала f'hN-15 и разбиТЫ' иа две группы. Первая группа сверл была подвергнута упрочнению методом ЭЛЛ11. При сверлении каждым сверлом 50 отверстий в стали 45 прои¡водилось измерение осевой силы Р cooibctcihmo-

щей началу процесса'резания, с помощью специального пружинного лши.момсг-

ра. 11овторные испы тания' каждого из свёрл производились до момента резкого

17

возрастания параметра осевой силы, необходимой для начала стружкообразова-ния.

У не упрочненных свёрл наблюдается постепенный рост средней силы от 425 до 619 Н после сверления 300 отверстий. Наиболее сильное возрастание силы начинается после сверления 200 отверстий. После сверления 150 отверстий около 80% свёрл сохранили режу щую способность, после 200 - 70%, после 300 -40%.

Иной характер изменения минимальной осевой силы наблюдается у упрочненных сверл: начальное значение PQ больше, что можно объяснить притуплением режущей кромки при напылении слоя. По мере работы средняя минимальная осевая сила уменьшает. Вероятно, что в начальный период работы происходит само затачивание лезвия инструмента за счёт интенсивной приработки. Затем наступает период стабильной работы инструмента, в течение которого величины PQ

и значение среднеквадратического отклонения осевой силы S остаются практически постоянными. В конце периода нормальной работы, после сверления 400 отверстий, часть свёрл выходит из строя, расширяется поле рассеяния осевой силы Р0 и наблюдается её увеличение с нарастающей интенсивностью.

Помимо более высокой стабильности статистических параметров по сравнению с такими же параметрами не упрочненных свёрл следует отметить существенное увеличение вероятности сохранения режущей способности упрочнённых инструментов в течение всего времени работы. Так, после 40 мин. работы не упрочненные свёрла практически все исчерпали себя, в то время как 55% упрочнённых сверл были в работоспособном состоянии.

Эффективность упрочнения 100 свёрл после 20 мин. работы выразится чвеличением суммарного периода стойкости в 1,43 раза, а после 40 мин. в 4,7 pasa. В условиях проведенного эксперимента до начала интенсивного возрастания оч'сьой силы средняя стойкость не упрочненных свёрл была равна 19 мин., á упрочнённых - 43 мин., что примерно в 2.3 раза больше.

Аналоги- чо были проведены исследования эффективности метола ЭЛАН при упрочнении концевых фрез. В эксперименте использовались стандартные концевые фрезы из материала Р6М5 диаметром 10 мм, разбитые также на две группы. Одна из групп была подвергнута упрочнению методом ЭЛАМ.

И качестве обрабатываемою материала была выбраны чаготопхи ш стали 45, и которой обрабатывался паз глубиной 7 мм

Критерий стойкости: поломка фрез; выкрашивание режуших кромок; окисление и прогрессирующее затупление переходных режущих кромок фрез.

Результаты экспериментальных исследований были обработаны на ЭВМ и представлены в виде графиков распределений, приведенных на рисунке 7

-- теорстнч. ----зкепернмет

Рисунок 7 - Кривые распределения

Вероятность согласия кривых распределения нормальному закону проверялась по критерию Колмогорова. В таблице 2 представлены значения вероятности безотказной работы (Р1(Т)-для не упрочненных, Р2(Т)-для упрочненных фрез)

Таблица 2 - Вероятность безотказной работы фрез.

Т, мин. " РКТ) 1 10 15 20 30 40 50

0.76 1.00 0.44 0.16 0.0 0.0 0.0 0.08

Р2(Т) 1.00 0.96 г 0.72 0.24

Р2(Т) Р1(Т) 1.32 2.27 6

Время безотказной работы упрочненных фрез, с вероятностью 0.95, увеличивается более чем в 5 раз, по сравнению с неупрочиенными.

Конечные результаты работы можно представить следующими основными выводами:

1. Решена задача аналитического определения коэффициентов жесткости при кручении естественно закрученного стержня (продольно-крутильного волновода). Данный факт позволяет говорить о завершении теории динамики трансформации ультразвуковых колебаний.

2. Разработана методика инженерного расчета продольно-крутильных ул-иразвуковых волноводов технологического назначения с заданным направлением вектора колебательной скорости, включающая в себя специально написанный паке! прикладных программ, позволяющий решать задачи анализа и синтеза (прямая и обратная задачи) для данного типа волноводов.

3. Аналитически исследовано протекание электроискрового процесса с сведением в него энергии неформального (продольно-крутильного) ультразвукового поля. Исследования показали, что введение энергии ультразвукового поля приводит к увеличению радиуса искрового канала и температуры в нем, по сравнению со случаем, когда ультразвук отсутствует.

4. Качественная оценка взаимодействия электромагнитного и неформальных ультразвукового нолей показывает, что эффекг диспергирования существенно возрастает, чт о подтверждается и экспериментально. Шероховатость, напыленного методом ЭЛАН слоя, составляет 0,63-0,32 мкм.

5. Концентрация высокоэнергетического электромагнитного поля (с учетом предварительной пластической деформации) приводит к макроскопическим эффектам: эффект электропластичности, улучшения пластических свойств материала. а концентрация высокоэнергетического температурного поля (после действия »лектромапнггного поля) приводит к микроскопическим эффектам: торможения микротрещин, охлопывание микропор, улучшение прочностных характеристик материала.

6. Проведенные исследования износостойкости напыленного слоя показали, что полученный слой обладает высокой износостойкостью. Данный способ

______позволяет повысить твердость и износостойкость поверхностного слоя, оставив---------

«мягкой» сердцевину, что является весьма важным для формообраптошего инструмента.

7. Проведены экспериментальные исследования износостойкости осевого режущего инструмента, упрочненного методом ЭЛЛН, которые показали эффективное! ь данного метода. Эффективность упрочнения сверл, выраженная в увеличении суммарною периода стойкости, составляет от 1,43 раза после 20 мини работы до 4,7 — после 40 минут. Время безотказной работы упрочненных фрез увеличилось более чем в 5 раз, по сравнению с нсупрочненными.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кочетов Л.П., Кулряшев С.Б. Система управления электроакустическим напылением. Диагностика и управление в технических системах: Межвуз. сб. науч. тр. - Ростов и/Д, 1995. - с. 102-104.

2. Минаков B.C., Кудряшев С.Ь., Кочетов Л.П. Эффективность метода элек-гроакустического напыления при упрочнении осевого режущего инструмента. Диагностика и управление в технических системах: Межвуз. сб. науч. ip. - Ростов н/Д, 1997.-е.! 11-! 14.

3. Минаков B.C., Кочетов Д.II., Кудряшев С.Ь. Двойкой барьер и его влияние на деформацию и разрушение металлов. Диагностика и управление в технических системах: Межвуз. сб. науч. тр. - Рос юн н/Д. 1997 - с. 115-! 21

4. Минаков B.C., Пожарский Д.Л., Кудряшев С.Б. Об эффекю элекфопла-сгичности при деформировании и импульсном воздействии высокоэнергегиче-ского электромагнитного поля. - Диагностика и управление в технических системах' Межвуз. сб. науч. тр.- Ростов н/Д, 1997. с. 121-129

5. Минаков B.C., Пожарский Д.А., Кудряшев С.Ь. Об эффек1е электропла-стнчносги и исчерпании ресурса вязкости в неформальном ультрашуковом и высокоэнергетическом электромагнитном иоле. Всероссийская научно-техническая

конференция «Современная электротехнология в машиностроении.» Тула 3-4 июня 1997: Тез. докл. -Тула, 1997. с. 102-107.

6. Минаков B.C., Кудряшев С.Б., Вассерман А.Э. Управление динамикой продольно-крутильных волноводов в технологических системах. - V Международная научно-технической конференции по динамике технологических систем: Тез.докл.- Ростов н/Д, 1997.Т. 1. с.58-60

7. Минаков В.С, Кудряшев С.Б., Вассерман А.Э. Аналитическое определение коэффициентов жесткости естественно-закрученных волноводов. - Диагностика и управление в технических системах: Межвуз. сб. науч. тр.- Ростов н/Д, 1998. с. 151-161.

8. Минаков В.С, Кудряшев С.Б., Жириков Т.В. Поведение электрической искры в ультразвуковом иоле. - Диагностика и управление в технических системах: Межвуз. сб. науч. тр.- Ростов н/Д, 1998. с. 161-169.

22

ЛР № 020639 от 26.04.96 г. В набор 3.11.98. В печать 10.11.98 Объем 1,5 усл. п. л., 1,4 уч.-изд.л. Офсет. Формат 60x84/16 Бумага Тип №3. Закат №442. Тираж 120.

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344010, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, I.

j ; - Jsj i J / t^j 7

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КУДРЯШЕВ СЕРГЕЙ БОРИСОВИЧ

РАЗРАБОТКА ДИНАМИКИ ПРОДОЛЬНО-КРУТИЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРОЦЕССУ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ ПРИ УПРОЧНЕНИИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

05.03.01. - Процессы механической и физико-технической обработки,

станки и инструмент

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор B.C. Минаков Научный консультант доктор физ.-математических наук, Д.А. Пожарский

Ростов - на - Дону - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. 10 . 1 Методы упрочнения режущего инструмента 10

1.1 Методы трансформации ультразвуковых колебаний 24

1.2 Цель и задачи исследования 35

2 ДИНАМИКА ТРАНСФОРМАЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ 37

2.1 Значение проблемы и основные направления их решения 37

2.2 Основы теории трансформации ультразвуковых колебаний 38

2.3 Кручение естественно закрученного волновода 47

2.4 Определение коэффициентов жесткости. Построение амплитудно-частотных характеристик 56

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОДОЛЬНО-КРУТИЛЬНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛНОВОДОВ 65

3.1 Общая характеристика методологического подхода 65

3.2 Исследование амплитудно-частотных характеристик продольно-крутильного ультразвукового волновода 66

4 РАЗВИТИЕ ИСКРЫ В КОМПЛЕКСНОМ УЛЬТРАЗВУКОВОМ

ПОЛЕ 86

4.1 Механизм образования искры 86

4.2 Развитие канала искры. Влияние ультразвука на процесс развития искрового канала 89

4.3 Об эффекте электропластичности при деформировании и импульсном воздействии высокоэнергетического электромагнитного 99 поля

4.4 Об эффектах электропластичности и исчерпании ресурса вязкости

в неформальном ультразвуковом и высокоэнергетическом поле 115

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 120

5.1 Исследование износостойкости инструментальной стали У10А 120

5.2 Эффективность метода электроакустического напыления при упрочнении осевого инструмента 129 ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 140 ЛИТЕРАТУРА 143 ПРИЛОЖЕНИЕ 156

Введение

Повышение качества, надежности и долговечности деталей машин, режущих инструментов и пггамповой оснастки является одной из важнейших проблем научно-технического прогресса. Решение ее прямым образом связано с созданием новых и интенсифицированных технологических процессов на базе эффективного использования различных видов энергии: плазмы, лазера, электричества, ультразвука и др. с целью обеспечения требуемого комплекса технологических и эксплуатационных характеристик машин и аппаратов.

При современных масштабах производства продукции машиностроения особое значение приобрела также проблема экономии материальных и энергетических ресурсов за счет уменьшения объема обработки резанием, применения эффективных методов формообразования, широкого использования упрочняющей и восстанавливающей технологий.

В настоящее время в отечественной и мировой технологической практике четко определились две тенденции решения указанных проблем.

Первая связана с совершенствованием и интенсификацией традиционных методов механической обработки, которая пока по сравнению с другими методами имеет большое распространение из-за ряда очевидных достоинств, а именно широкого круга решаемых производственных задач, технологической гибкости, малой энергоемкости и простоты реализации и по прогнозу международного научно-технического общества технологии машиностроительного производства до 2020 года целевой состав машиностроительного производства будет состоять из этапов первичного (заготовительного) и вторичного (обработка) формообразования, т.е. механические процессы обработки сохранят свое ведущее технико-экономическое значение на ближайшие 20-30 лет.

Как показывает опыт отечественного и зарубежного машиностроения прогресса в этом направлении можно ожидать за счет интенсификации про-

цессов механической обработки с использованием указанных выше и других видов энергии.

Вторая тенденция связана с использованием указанных выше видов энергии, как самостоятельных. Это направление более перспективно, так как позволяет создавать новые технологические процессы, базирующиеся либо на использовании того или иного вида энергии либо на их комбинации. Место и роль таких процессов в современном машиностроении уже сейчас широко известно.

Целенаправленное использование указанных выше видов энергии и их сочетание позволяет создавать уникальные технологические процессы, отличающиеся как по своей физической сущности и механизму воздействия на обрабатываемые среды, так и по производительности и качеству продукции машиностроения.

Развитие указанных выше тенденций и влияние их на развитие промышленности и экономики в определенной степени зависит от реализации широкого круга мероприятий в области научно-технического прогресса. Безусловно, решающую роль при этом должно сыграть совершенствование технологии производства.

В связи с этим актуальным является поиск научно-технических решений, направленных на разработку новых и интенсификацию существующих технологических процессов машиностроения, базирующихся на глубоких научных обобщениях, на быстром развитии технологической науки, которая широко использует достижения физики, математики, химии, электроники и по своей направленности, методологии и проникновению в сущность исследуемых явлений все более приобретает характер фундаментальной науки.

Одним из таких решений является широкое использование энергии трансформируемых ультразвуковых колебаний (УЗК), позволяющих создавать принципиально новые технологии, отличающиеся высокой эффективно-

стью и стабильностью. Кроме того, исключительная технологическая гибкость трансформации УЗК дает возможность во многих случаях интенсифицировать действующие технологические процессы.

В разработке фундаментальных проблем теории и практики ультразвука и ультразвуковой технологии лидирующее положение принадлежит акустике, физике твердого тела и физико-химической механике. Успехи этих отраслей современной науки в значительной мере влияют на все многообразные технологические процессы машиностроения.

В многочисленных работах [1-6], посвященных теоретическому и экспериментальному изучению воздействия энергии УЗК различного вида: продольных, крутильных, продольно-крутильных (комплексных) и др. на разнохарактерные технологические процессы, доказана эффективность ультразвука.

Необходимым условием высокоэффективного использования энергии комплексных УЗК в технологической практике является целенаправленная их трансформация с учетом специфики того или иного процесса путем контролируемого воздействия на все наиболее существенные параметры, характеризующие служебное назначение изделия. В связи с этим, актуально проведение специальных исследований, связанных с целенаправленным управляемым воздействием трансформируемых УЗК в комплексном процессе электроакустического упрочнения режущего инструмента с целью увеличения его износостойкости и долговечности при одновременном улучшении качества изделий и производительности процесса.

Однако к началу выполнения настоящей работы использование в отечественном и зарубежном машиностроении энергии трансформируемых ультразвуковых колебаний в научном и технологическом аспектах было недостаточно обеспечено. Теория трансформации УЗК была разработана в общем виде, что не давало возможность без дополнительных экспериментов рассчитывать продольно-крутильные волноводы. Это существенно ограничивало ши-

рокое использование энергии ультразвуковых продольно-крутильных колебаний.

Тем ни менее профессор Минаков B.C. разработал ряд оригинальных технологических процессов, использующих энергию продольно-крутильных УЗК, позволившие разработать и изготовить ряд серийных промышленных установок. Однако разработанные процессы и в частности процесс электроакустического напыления технологически недостаточно обеспечен и требует дальнейшего совершенствования.

В связи с этим целью диссертационной работы является: повышение производительности и качества изделий машиностроения за счет увеличения износостойкости режущего инструмента путем развития основных положений теории динамики трансформации УЗК и применения электроакустического напыления (ЭЛАН).

Научная новизна работы заключается в обобщении теоретических и экспериментальных исследований физических процессов и явлений, протекающих под действием комплексных УЗК в рамках технологического процесса упрочнения режущего инструмента. Научную основу этого процесса составили новые теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, которые выносятся на защиту:

- аналитическое определение функции напряжений и жесткости при кручении естественно закрученных стержней;

- решение задачи расчета продольно-крутильных ультразвуковых волноводов технологического назначения;

- разработка методики расчета продольно-крутильных ультразвуковых волноводов технологического назначения с заданным направлением вектора колебательной скорости;

- исследование эффективности комплексных (продольно-крутильных) ультразвуковых колебаний при ЭЛАН;

- аналитическое исследование электроискрового процесса в неформальном ультразвуковом поле;

- экспериментальные исследования износостойкости режущего инструмента, упрочненного методом ЭЛАН.

Практическая ценность работы состоит в развитии базы для решения важной задачи машиностроения по целенаправленному созданию новых высокоэффективных технологических процессов и интенсификацию существующих на основе использования высококонцентрированных источников энергии электрической искры и неформального (продольно-крутильного) ультразвукового поля.

Разработаны пакет прикладных программ и методика инженерного расчета продольно-крутильных ультразвуковых волноводов технологического назначения, позволяющая решить задачи анализа и синтеза данного типа волноводов.

Основные положения диссертационной работы обсуждены на Всероссийской научно-технической конференции «Современная электротехнология в машиностроении» Тула 1997 год, на V Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем Ростов-на-Дону 1997 год, на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Донского государственного технического университета г. Ростов-на-Дону 1994-1997 год.

Отдельные части работы выполнялись в соответствии с тематикой по единому заказ-наряду Министерства общего и профессионального образования РФ в 1996 году «Дискретное управление износостойкостью режущего инструмента в автоматизированном производстве», в 1997 году «Комплексная разработка процесса дискретного управления износостойкостью режущего инструмента и технологии многофункциональной диагностики металлообработки в автоматизированном производстве».

В 1998 году проект, в основе которого лежат основные положения диссертационной работы, решением Научного Совета МНТП «Ресурсосберегающие технологии автомобильного и тракторного машиностроения» включен в тематический план на 1998-2000 годы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и основных выводов, литературы и приложений.

В первой главе представлен анализ методов упрочнения режущего инструмента и трансформации ультразвуковых колебаний. Дана оценка известных способов упрочнения и повышения стойкости режущего инструмента, сформулированы цели и задачи исследований.

Во второй главе изложены теоретические основы динамики трансформации ультразвуковых колебаний, рассмотрена задача кручения естественно -закрученного волновода для аналитического определения коэффициентов жесткости, проведен анализ полученных амплитудно-частотных характеристик и влияние на них физических и геометрических параметров волновода.

В третей главе представлены результаты экспериментальных исследований для подтверждения правильности теоретических выводов связанных с трансформацией ультразвуковых колебаний, приведенных во второй главе.

В четвертой главе рассматриваются вопросы, связанные с развитием электрической искры в комплексном ультразвуковом поле, а также эффекты электропластичности и исчерпания ресурса вязкости в комплексном ультразвуковом и высокоэнергетическом полях.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям износостойкости инструментальной стали и подтверждению эффективности метода электроакустического напыления при упрочнении осевого инструмента (сверло, фреза).

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Методы упрочнения режущего инструмента

В настоящее время в машиностроении весьма актуальна проблема увеличения износостойкости режущего инструмента за счет упрочнения режущих кромок.

Решение этой проблемы связано с разработкой и внедрением эффективных и производительных технологических процессов, базирующихся на использовании различных видов энергии: плазмы, лазера, электрического и магнитного полей, ультразвуковых колебаний.

Сегодня, наряду с традиционными методами упрочнения рабочих поверхностей режущего инструмента появляются новые методы, позволяющие существенно увеличить их износостойкость.

Известные методы упрочнения условно можно разделить на шесть основных классов упрочнения (таблица 1.1): 1-класс - с образованием пленки на поверхности; 2-класс - с изменением химического состава поверхностного слоя; 3-класс - с изменением структуры поверхностного слоя; 4-класс - с изменением энергетического запаса поверхностного слоя; 5-класс - с изменением шероховатости поверхностного слоя; 6-класс - с изменением структур по всему объему металла.

Таблица 1.1 - Классификация методов упрочнения

Класс Метод Процесс

1 Осаждение химической р-цией Оксидирование, сульфидирование, нанесение упрочняющего смазывающего материала, осаждение из газовой фазы.

Продолжение таблицы 1.1

Электролитическое осаждение Хромирование, никелирование, электрофорез, борирование

Осаждение твердых осадков из паров Электроискровое легирование, термическое испарение тугоплавких соединений, катодно-ионная бомбардировка, прямое электроннолучевое испарение, электрохимическое испарение

Напыление износостойких соединений Плазменное напыление порошковых материалов, детонационное напыление, электродуговое напыление, лазерное напыление.

2 Диффузионное насыщение Нитрооксидирование, нитроцементация, азотирование, борирование, цианирование, диффуз- ; ное хромирование и никелирование, циркоси- , лидирование, легирование маломощными пуч- 1 ками ионов.

3 Физико-термическая обработка Лазерная закалка, плазменная закалка

Электрофизическая обработка Электроимпульсная обработка, электрокон-такшая обработка, электроэрозионная обработка, ультразвуковая обработка.

Механическая обработка Упрочнение вибрацией, фрикционно-упрочняющая обработка, дробеструйная обработка, термомеханическая обработка, прокатывание, волочение, редуцирование

Наплавка легированным металлом Газовым пламенем, электрической дугой, плазмой, лазерным лучом, ионное легирование.

Продолжение таблицы 1.1

4 Обработка в магнитном поле Электроферромагнитная обработка, обработка в импульсном магнитном поле.

5 Электрохимическое полирование Окунанием в ванну в струе электролита.

Обработка резанием Шлифование, суперфиниширование, хонинго-вание

Пластическое деформирование Накатка, раскатка.

6 1 Термическая обработка при положительных температурах Закалка светлая, обычная, несквозная, сквозная, изотермическая, с самоотпуском, с непрерывным охлаждением, ступенчатая. Отпуск высокий, низкий.

Криогенная обработка Закалка с обработкой холодом с температуры закалки или охлаждение с нормальной температуры, термоциклирование.

В последние годы для повышения износостойкости инструментов, рабочих элементов штампов, пресс-форм широко применяется ионно-плазменная обработка [7]. Как правило, она осуществляется в вакуумных установках. Металл в вакууме последовательно превращается в газ, пар, ионизированный пар и плазму, а затем осаждается в атмосфере реакционного или нейтрального газа в виде конденсата на упрочняемую поверхность. Покрытия получают термическим испарением, катодным или ионно-плазменным распылением, бомбардировкой поверхности ионами, осаждением вещества. Реакционным газом служит азот или углерод.

Непосредственный предшественник ионно-плазменных методов покрытия - термическое напыление в вакууме. Однако технология получения поверхностей из плазменно�