Повышение геометрических и физико-механических характеристик поверхностного слоя при финишной ультразвуковой обработке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Боровин, Юрий Михайлович

• Боровин, Юрий Михайлович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Боровин, Юрий Михайлович

Введение.

1. Стояние вопроса. Цель работы и задачи исследования.

1.1 Анализ основных параметров процесса УЗО поверхностного слоя детали.

1.2 Анализ моделей деформационного взаимодействия инструмента с обрабатываемой заготовкой при УЗО.

1.3 Технологическое обеспечение поверхностным пластическим деформированием требуемой точности обработки, шероховатости и волнистости.

1.4 Выводы и постановка задачи исследования.

2. Теоретические исследования качества поверхностного слоя деталей, получаемого в результате УЗО.

2.1 Расчет стойкости инструмента при УЗО.

2.2 Расчет частот механических колебаний при УЗО.

2.3 Математическая модель, устанавливающая связь входных параметров УЗО с выходным параметром шероховатости обработанной поверхности.

3. Методика проведения экспериментальных исследований и экспериментальное оборудование.

3.1 Технологическое оборудование, рабочие приспособления, исследуемые образцы.

3.2 Система измерения параметров шероховатости поверхности на базе профилометра Hommel Tester Т500.

3.3 Методика и программный модуль портирования топографии поверхности в среду ANSYS (LS-DAYNA).

3.4 Методика проведения экспериментальных исследований.

3.4.1 Методика проведения экспериментальных исследований влияния режимов УЗО на геометрические и физико-механические характеристики поверхности детали.

3.4.2 Расчетно-экспериментальная методика оценки остаточных напряжений после УЗО с учетом реальной шероховатости поверхности. 78 4. Экспериментальные исследования влияния технологических режимов УЗО на геометрические и физико-механические характеристики поверхностного слоя детали.

4.1 Исследование влияния технологических режимов УЗО на параметры шероховатости обработанных поверхностей.

4.2. Исследование влияния технологических режимов УЗО на параметры волнистости обработанных поверхностей.

4.3 Исследование влияния технологических режимов УЗО на изменение номинального диаметра детали.

4.4 Исследование влияния технологических режимов УЗО на микротвердость поверхностного слоя детали.

4.5 Идентификация величины и интенсивности остаточных напряжений в поверхностном слое детали после УЗО расчетноэкспериментальным методом.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение геометрических и физико-механических характеристик поверхностного слоя при финишной ультразвуковой обработке»

Одной из важнейших задач современного машиностроения является повышение качества и конкурентоспособности выпускаемых изделий. Эксплуатационные характеристики изделий, такие, как надежность, долговечность, износостойкость, контактная жесткость и т.д., в значительной мере определяются комплексом геометрических и физико-механических характеристик качества поверхностного слоя изделий. Данные показатели качества закладываются на стадии проектирования, обеспечиваются при производстве и поддерживаются на всем жизненом этапе эксплуатации изделия. Качество изделий, и прежде всего микрогеометрия и физико-механические свойства их поверхностей, в значительной мере обеспечиваются, как правило, на завершающих стадиях технологического процесса.

Для формирования вышеуказанных характеристик качества поверхностного слоя деталей в последнее время широко применяют различные методы отделочно-упрочняющей обработки (ОУО), связанные с поверхностным пластическим деформированием (ППД). При этом предпочтение отдается эффективным и производительным методам, одним из которых является ультразвуковая отделочно-упрочняющая финишная обработка (УЗО). Данная технология применяется при обработке валов, отверстий, плоскостей, а также фасонных поверхностей большой номенклатуры различных деталей, к качеству которых предъявляют высокие требования.

Исследованиям в области разработки технологии ультразвуковой упрочняющей обработки различных материалов и её внедрения в различные области машиностроения посвящены работы таких российских исследователей, как Смелянского В.М., Маркова А.И., Кудрявцева И.В., Северденко В.П., Клубовича В.В., Степаненко А.В., Розенберга Л.Д., Казанцева В.Ф., Макарова Л.О., Муханова А.И., Ана Г.Д., Голубева Ю.М.,

Чудинова А.В., Асанова В.Б., Куроедова Ю.Б., Исхакова Г.А., Бляшко Я.И., Гилета В.П., Безнедельного А.И. Синдеева В.И., Холопова Ю.В., Городищенского П.А. и др., а также ряда зарубежных - Neppiras Е.А., Shiro Benjamin P., Pyoun Y.S. и др.

Несмотря на достигнутые результаты, в области исследований процессов ультразвуковой обработки и ее совершенствования, существует ряд вопросов, которым уделялось недостаточное внимание. К таковым относятся вопросы обеспечения стойкости инструмента при заданной чистоте обработанной поверхности; исследования жесткости контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью; обеспечения методом УЗО требуемых точностных, геометрических и физико-механических характеристик поверхностного слоя деталей на финишных операциях.

Поэтому вопросы дальнейшего совершенствования данного прогрессивного технологического процесса УЗО, с точки зрения повышения производительности и оптимизации режимов обработки с целью обеспечения заданной точности и качества изделий, являются весьма актуальными.

Актуальность выбранной тематики подтверждается тем, что исследование проводилось в рамках научно-технической программы Министерства образования Российской Федерации «Федерально-региональная политика в науке и образовании» 2004 - 2005 гг.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Боровин, Юрий Михайлович

Выводы по четвертой главе

1. Получены регрессионные уравнения для расчета параметров шероховатости, волнистости, микротвердости и величины изменения номинального диаметра детали в зависимости от режимов обработки и его исходной геометрии штока амортизатора кабин ЗИЛ 4331.

2. На величину параметров шероховатости Ra и Rz наибольшее влияние оказывают диаметр рабочей части инструмента, статическая сила прижатия инструмента и амплитуда его колебаний.

3. На величину волнистости не зависимо от ее направления наибольшее влияние оказывает исходная волнистость поверхности. На величину высотных параметров поперечной волнистости оказывает влияние статическая сила прижатия инструмента к обрабатываемой детали.

4. На величину изменения размера детали наибольшее влияние оказывает исходная шероховатость поверхности и амплитуда ультразвуковых колебаний инструмента.

5. На величину изменения микротвердости образца наибольшее влияние оказывает диаметр инструмента, амплитуда ультразвуковых колебаний и скорость обработки.

6. На основании проведенного численного анализа установлено, что на величину остаточных напряжений оказывает существенное влияние диаметр инструмента и глубина его внедрения.

7. Разработаны и приняты к использованию в действующее производство АМО ЗИЛ практические рекомендации по назначению режимов финишной УЗО, позволяющие повысить геометрические и физико-механические характеристики штока амортизатора кабин автомобиля ЗИЛ-4331.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках диссертационной работы была решена важная научно-практическая задача оптимизации режимов обработки УЗО с целью повышения геометрических и физико-механических характеристик поверхностного слоя деталей типа тела вращения на примере штока амортизатора кабины ЗИЛ - 4331.

Получено аналитическое уравнение, устанавливающее связь между допустимыми параметрами глубины микропрофиля, стойкостью инструмента, технологическими параметрами УЗО и характеристикой обрабатываемого материала.

Получено аналитическое уравнение, позволяющее прогнозировать появление в зоне контакта «инструмент — заготовка» автоколебаний, которые могут приводить к снижению стабильности получаемого микропрофиля и стойкости инструмента. Установлена возможность появления автоколебаний в зоне контакта «инструмент - заготовка» при частоте колебаний инструмента /инд = 20кГц.

На основании анализа экспериментальных данных получено аналитическое уравнение для определения выходных параметров шероховатости Rz в зависимости от исходной шероховатости поверхности, режимов УЗО и геометрии инструмента.

Разработана система измерения параметров шероховатости поверхности HW-MSIU Т500, позволяющая проводить автоматизированные измерения и расчет параметров шероховатости по ГОСТ 2789-73, ISO 4287-1.2:1995 и ряда дополнительных. Сохраняемые в цифровом виде результаты измерений могут быть использованы при проектировании технологических процессов в прикладных пакетах программ CAD/CAM систем. Данная система внедрена в действующее производство АМО-ЗИЛ.

Проведенные экспериментальные исследования УЗО штока амортизатора кабин ЗИЛ - 4331 позволили получить регрессионные уравнения для расчета параметров шероховатости, волнистости и величины изменения номинального диаметра детали в зависимости от режимов обработки и его исходной геометрии.

Разработаны, опробована и внедрена в действующее производство АМО ЗИЛ технология финишной обработки штока амортизатора за счет ультразвукового поверхностного воздействия.

Разработана методика и программный модуль портирования топографии поверхности в среду ANSYS (LS-DYNA) с целью прогнозирования величины остаточных напряжений в поверхностном слое детали с учетом реальной топографии поверхности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Боровин, Юрий Михайлович, 2005 год

1. Рахимянов Х.М. Разработка математической модели процесса ультразвукового воздействия в схемах комбинированной обработки // Сб. науч. труд. Новосибирского государственного технического университета -Новосибирск: НГТУ, 1998. Вып. 1 (10). - с. 95-104.

2. Абрамов О.В. и др. Воздействие мощного ультразвука на межфазную поверхность металлов. М.: Наука, 1986. - 278 с.

3. Дрозд М.С., Матлин М.М., Сидякин Ю.И. Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации. — М.: Машиностроение, 1986. — 224 с.

4. Розенберг Л.Д., Казанцев В.Ф., Макаров Л.О., Якимович Д.Ф. Ультразвуковое резание. М.: Изд-во АН СССР, 1962. - 312 с.

5. Абрамов О.В., Хорбенко И.Г., Швегла Ш. Ультразвуковая обработка материалов / Под ред. О.В. Абрамова. М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.

6. Муханов И.И. Импульсная упрочняюще—чистовая обработка деталей машин ультразвуковым инструментом. М.: Машиностроение, 1978. - 44 с.

7. Марков А.И., Устинов И.Д. Ультразвуковое алмазное выглаживание деталей и режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1979. - 54 с.

8. Гилета В.П., Исхакова Г. А. Исследование закономерностей формирования микрогеометрии поверхности при алмазной ультразвуковой упрочняющей чистовой обработке // Сверхтвердые материалы. 1992. - №1. -с. 45-50.

9. Смелянский В.М. Механика упрочнения поверхностного слоя деталей машин в технологических процессах поверхностного пластического деформирования М.: Объединение «МАШМИР», 1992. — 60 с.

10. Кудрявцев И.В. Основы выбора режима упрочняющего поверхностного наклепа ударным способом (методом чеканки). // Повышение долговечности деталей машин методом поверхностного наклепа. ЦНИИТМАШ. М.: Машиностроение, 1965, книга 108. - с. 35-38.

11. Петросов В.В. Гидродробеструйное упрочнение деталей и инструмента. — М.: Машиностроение, 1977. — 166 с.

12. Марфицын В.В. Обеспечение параметров качества наружных поверхностей цилиндрических деталей при выглаживании инструментами из минералокерамики и термоупрочненных сталей: — Диссертация кандидата технических наук. Курган, 2000. - 146 с.

13. Повышение несущей способности деталей машин алмазным выглаживанием / Яценко В.К., Зайцев Г.З., Притченко В.Ф. и др. М.: Машиностроение, 1985. - 232 с.

14. Смелянский В.М. Исследование процесса алмазного выглаживания с жестким закреплением инструмента: Диссертация кандидата технических наук. Москва, 1969. - 229 с.

15. Губанов В.Ф. Решение задачи технолога при выглаживании инденторами из термоупрочненных сталей // Сборник тезисов докладов научной конференции. Курган: КГУ, 2000. с. 66.

16. Губанов В.Ф. Выглаживание поверхностей деталей инструментом из термоупрочненных сталей // 27 Гагаринские чтения: тезисы докладов межд. молодеж. науч. конф. Т. 3. -М.: МАТИ, 2002. с. 44-45.

17. Гуревич Ю.Г., Мосталыгин Г.П., Марфицын В.В., Дорфман Д.Е. Износостойкость сталей после электроконтактного термоупрочнения // Износостойкость машин: тез. докл. Всесоюзн. научн. техн. конф. Брянск, 1991.-с. 93

18. Ceramic insight Softening future chock // Tool and Products, 1989, #11. -p. 66-70.

19. Дрозд M.C. Определение механических свойств металла без разрушения-М.: Металлургия, 1965.- 171 с.

20. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. М.: Наука, 1983. - 280 с.

21. Булычев С.И., Алехин В.П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. М.: Машиностроение, 1990. - 224с.

22. Hertz Н. Gesammelte werke. Bd. 1, 1895.

23. Gileta V.P., Formation of a surface at ultrasonic processing. Proceedings. The forth Russian-Korean International Symposium on Science and Technology "KORUS 2000", June 27 - 30, 2000 Ulsan, vol. 3. - p. 150 - 154

24. Фельдман Я.С. Расчет параметров микрорельефа цилиндрических вибронакатанных поверхностей деталей машин, приборов и их технологическое обеспечение. Л.: ЛИТМО, 1979. - 97 с.

25. Фельдман Я.С. О геометрических характеристиках микрорельефа виброобкатанных цилиндрических поверхностей // Известия вузов «Приборостроение».— 1968. — №6. с.106 - 112.

26. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М., 1981.-244 с.

27. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Алексеев В.М. Оценка шероховатости и волнистости при расчете контактного взаимодействия деталей машин // Вестник машиностроения, 1975. №8. с. 27-29.

28. Лайуни А.Б.Е. Повышение качества поверхности и долговечности деталей методом вибрационной отделочно-упрочняющей обработки: Диссертация кандидата технических наук. — Ростов-на-Дону. — ДГТУ. 1995.

29. Тыняный А.Ф. Численное моделирование контактной задачи в рамках квазистатического упругопластического деформирования в пакете ANSIS/LS-DYNA // Нефтегазовое дело. 2004.

30. Э.В. Рыжов, А.Г. Суслов, В.П. Федоров Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. — 176 с.

31. Mayeur С., Sainsot P., Flamond L. A numerical elastoplastic model for round contact. Trans. ASME. J. Tribol. 1995. - 117, #3. - pp. 422-429.

32. Hasanov A., Seyidmamedov Z. The solution of an axisymetric inverse elasto-plastic problem using penetration diagrams. Int. J. Non-Linear Mech. -1995.-30, #4.-p. 465-477.

33. Komvopoulos К. Elastic-plastic finite element analysis of indented layered media // Trans. ASME. J. Tribology. Vol. 111. #3. pp. 430-^139.

34. Krai E., Komvopoulos K., Bogy P.V. Finite element analysis of repeated indentation of an elastic-plastic layered medium by a rigid sphere. Part 2. Surface results. // Trans. ASME. J. Appl. Mech. 1995. #1. pp. 20-28.

35. Иванов Ю.В. К вопросу об изменении размеров при упрочняющем накатывании легированных сталей // Прогрессивные технологические методы повышения надежности и долговечности деталей машин и инструментов. — Куйбышев. — 1980. — с. 47-48.

36. Матвеев О.А. Расчет ожидаемого размера при обработке поверхностным пластическим деформированием // Сб. научных трудов Челябинского политехнического института. 1980. — №249. — с. 126-132.

37. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностей пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1978. -152 с.

38. Забродин В.А. Влияние метода восстановления на погрешность фомы детали // Повышение качества и надежности транспортных и технологических машин: Межвузовский сборник научных трудов- Хабаровск: ХГТУ, 2000. с. 69-72.

39. Браславский В.М. Технология обкатки крупных деталей роликами. -М.: Машиностроение, 1975. — 160 с.

40. Шнейдер Ю.Г. Технология финишной обработки давлением: Справочник. СПб.: Политехника, 1998. - 414 с.

41. Забродин В.А. Восстановление размерной точности деталей поверхностным пластическим деформированием с заданным перераспределением материала: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Комсомольск на Амуре, 2001.

42. Вулых Н.В. Формирование микрогеометрии упрочненного слоя деталей при локальном и охватывающем поверхностном пластическом деформировании: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Иркутск: ИГТУ, 2002.

43. Шатуров Г.Ф., Лагеев Б.М. Образование поверхностей с ЧРМР // Вестник машиностроения. 1998. - №8. — С. 58-61.

44. Торбилло В.М. Алмазное выглаживание. М.: Машиностроение, 1973.-105с.

45. Хворостухин Л.А., Машков В.Н. Алмазное выглаживание металлопокрытий // Вестник машиностроения. 1969. - №10. - с. 17-18.

46. Шнейдер Ю.Г. О вибрационном выглаживании алмазом деталей высокой твердости. «Вестник машиностроения». — 1969. — № 5.

47. Школьник Л.М., Шахов В.И. Технология и приспособления для упрочнения и отделки деталей накатыванием. -М.: Машиностроение, 1964. -184 с.

48. Кропоткина Е.Ю. Технологическое обеспечение качества нежестких валов асимметричным упрочнением методами поверхностного пластического деформирования: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Пермь. 2002.

49. Папшев Д.Д. Упрочнение деталей обкаткой шариками. — М.: Машиностроение, 1968. 132 с.

50. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка поверхности деталей пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1987. - 327 с.

51. Поляк М.С. Технология упрочнения. Т.1. и Т.2. М.: Машиностроение, 1995. - 685 с.

52. Пшибильский В. Технология поверхностной пластической обработки. М.: Металлургия, 1991. - 479 с.

53. Neppiras Е.А. Ultrasonic machining. —' «Metalworking Production, v.100.N 27-31, 33-34.

54. Neppiras E.A. Ultrasonic Welding of metals. Ultrasonics, July-Sep tember, 1965, p. 123-125.

55. Shiro Benjamin P. Method and apparatus for applying ultrasonic energy to a workpiece. Pat. USA, kl. 134-1 (B08 7/02), Xs 3535159 от 7.XII.1967.

56. Иревли C.B. Обеспечение качества деталей машин методом ударной обработки. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.:, МГАПИ, 2002.

57. Смелянский В.М. Механика упрочнения поверхностного слоя деталей машин при ППД // Вестник машиностроения. 1982. № 11. с. 4 6.

58. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов -М.: Машиностроение, 1975. 344 с.

59. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1976. —278с.

60. Подураев В.Н. Обработка резанием жаростойких и труднообрабатываемых материалов. — М.: Высшая школа, 1965. — 520 с.

61. Королев К.С. Вопросы точности при резании металлов. М.: Машгиз, 1961.-210 с.

62. Таратынов О.В., Королева Е.М. Классификация механических колебаний технологических систем // Прогрессивная отделочно— упрочняющая технология: Межвуз. сб. Ростов н/Д: Ин-т с.-х. машиностроения, 1981.-е. 105-110.

63. Крагельский И.В. и др. Основы расчетов на трение и износ / И.В. Крагельский, Н.М. Добычин, B.C. Комбалов. -М.: Машиностроение, 1977. — 526 с.

64. Talyrond 200 system. Operator's handbook. Rank Taylor Hobson. England.

65. Remote HOMMEL Tester T500. Instructon manual.

66. Вулых H.B., Зайдес C.A. Анализ напряженно-деформированного состояния при моделировании микронеровностей упрочняемых поверхностей. Механика деформируемых сред в технологических процессах. Иркутск, 2000. - с. 101 - 105.

67. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. —М.: Наука, 1970.-с. 227

68. Сапожников С.Б., Форенталь М.В. Идентификация параметров модели материала расчетно-экспериментальным методом с использованием пакетов ANSIS и LS-DYNA // Нефтегазовое дело. 2004.

69. Рыжов Э.В., Горленко О.А. Математические методы в технологических исследованиях / АН УССР, Ин-т сверхтвердых материалов. Киев: Наук, думка, 1990. 184 с.

70. Суслов А.Г., Горленко О.А. Экспериментально-статистический метод обеспечения качества поверхности деталей машин: Монография. — Машиностроение 1, 2003. - 303 с.

71. Комбалов B.C. Оценка триботехнических свойств контактирующих поверхностей. М.: Наука, 1983. 136 с.

72. Suri Bala Modeling rigid in LS-DYNA. FEA information newsletters -vol. 1,2002.

73. John O. Hollquist et al. LS-DYNA keyword users manual, vol. 1-2, LSTC, 2001.

74. Suri Bala Contact modeling in LS-DYNA. FEA information newsletters -vol. 8 11,2001.

75. Бидерман В. Д., Малюкова Р. П. Усилия и деформации при продольном ударе. // Расчеты на прочность. Вып. 10. М., Машиностроение, 1964.-с. 52-61.

76. Биргер И. А. Остаточные напряжения. — М. : Машгиз, 1963. -232с.

77. Ванек И. Автоколебания при шлифовании // Станки и инструмент. -1975.-№6.-с. 24-27.

78. Митрофанов Б.П. Осесимметричная контактная задача для упругого тела с поверхностным слоем: Тез. докл. Всесоюзн. научн.-технич. семинара по контактной жесткости в машиностроении. Тбилиси, 1974. - с. 101-103.

79. Ланков А. А. Основные соотношения для расчета контурных давлений и других характеристик контакта в стыке твердых шероховатых тел. // Расчетные методы оценки трения и износа. Брянск: Приокское кн. изд-во, 1375,-с. 152-185.

80. Лебедев В.А. Технологическое обеспечение качества поверхности деталей при вибрационной ударно—импульсной обработке: Дис. канд. техн. наук. 05.02.08., Ростов-на-Дону, 1984.-е. 234.

81. PATTERN APPROVAL CERTIFICATE OF MEASURING INSTRUMENTS1. RU.C.27.004.AJVs.Л.7Ш.

82. Действителен до . 01« мая 2009

83. Описание типа средства измерений приведено в приложении к настоящему сертификату.

84. Заместитель Председатели—/ В.Н.Крутиков

85. Госстандарта России^^-.?-'—fv/s. X Л* .200/ , .1. Продлен ло200 г.

86. Заместитель Пред^дУт^цм^^^ Госстандарта РоссиЧ. 44■200 г.170fifl71. Утверждаю ГОУ МГИУ1. Н.Г. Хохлов 200V г.1. Главный1. Утверждаю (олог АМО ЗИЛ1. Н.А. Курочкин 2004 г.1. АКТ ВНЕДРЕНИЯ

87. От ГОУ МГИУ: Научный £)ушводитель1. Порошин В.В.

88. От АМО ЗИЛ Главный метрологг*^*::?Крь1Л0в В.И.1. Ответеисполнители1. Боровин Ю.М. Кастюк А.Г.

89. Описание интерфейса программного модуля портирования топографии поверхности в среду ANSYS (LS-DYNA)

90. После загрузки поверхности в правой части страницы в разделе «Информация» отображаются сведения о ее параметрах: длина, ширина, максимальная, минимальная и средняя высоты, количество трасс и точек в одной трассе (рис. 3).

91. Рис. 1. Стартовая страница модуляа