Повышение качества поверхностного слоя изделий из низкоуглеродистых легированных сталей методом ультразвуковой финишной обработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Обловацкая, Наталья Сергеевна

• Обловацкая, Наталья Сергеевна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Обловацкая, Наталья Сергеевна

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение качества поверхностного слоя изделий из низкоуглеродистых легированных сталей методом ультразвуковой финишной обработки»

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.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Обловацкая, Наталья Сергеевна

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Обловацкая, Наталья Сергеевна, 2007 год

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.