Повышение качества поверхностного слоя сварных швов на основе совершенствования ультразвуковой ударной обработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат технических наук Шинкарев, Артем Сергеевич

• Шинкарев, Артем Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шинкарев, Артем Сергеевич

Введение.

Глава 1. Применение ультразвуковой ударной обработки поверхностным пластическим деформированием для снижения сварочных напряжений (обзор литературы и состояние вопроса).

1.1. Механизм воздействия ультразвуковой ударной обработки на процесс упрочнения и формирования поля остаточных напряжений.

1.2. Влияние конструктивно-технологических факторов ультразвуковой ударной обработки на характеристики качества поверхностного слоя.

1.3. Динамические параметры ультразвуковой ударной обработки.

1.4. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Математическая модель процесса ультразвуковой ударной обработки инструментом с промежуточным бойком.

2.1. Существование и устойчивость резонансных (ударных) режимов колебаний.

2.2. Результаты расчетов и их обсуждение.

Глава 3. Экспериментальное исследование ультразвуковой ударной обработки инструментом с промежуточным бойком.

3.1. Исследование динамики и силовых параметров ударного нагружения.

3.2. Разработка метода измерения силы ударов инструмента по обрабатываемой поверхности в процессе ультразвуковой ударной обработки

Глава 4. Исследование влияния режимов ультразвуковой ударной обработки на характеристики качества поверхностного слоя сварного шва и околошовной зоны сварной заготовки.

4.1. Исследование поля остаточных напряжений.

4.2. Исследование параметров деформационного упрочнения.

4.3. Исследование текстуры поверхности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение качества поверхностного слоя сварных швов на основе совершенствования ультразвуковой ударной обработки»

Актуальность темы. Известно, что остаточные напряжения, возникающие вследствие неравномерных температурных деформаций металла сварного шва и зоны термического влияния в процессе сварки, существенно влияют на прочностные характеристики сварных конструкций. Высокий уровень послесвароч-ных остаточных напряжений, может стать причиной разрушения: деталей и узлов еще при изготовлении или в первые часы эксплуатации при достаточно низком уровне эксплуатационных нагрузок. Таким образом, задача снижения остаточных напряжений в зоне их повышенной концентрации является чрезвычайно важной для повышения надежности и долговечности изделий современного машиностроения, обеспечения технологичности и снижения металлоемкости производства.

Применение традиционных методов снижения технологических остаточных напряжений - естественного старения и термообработки деталей связано со значительными временными: и энергетическими затратами, и имеет определенные ограничения, обусловленные габаритными размерами обрабатываемого изделия. Эффективным деформационным (нетермическим) способом воздействия на поле послесварочных остаточных напряжений в сварных конструкциях является ультразвуковая ударная обработка поверхностным пластическим деформированием многобойковым инструментом. Сущность заключается в создании в поверхности сварного шва и околошовной зоны металла упрочненного поверхностного слоя с формированием благоприятного для прочности сварной конструкции поля сжимающих остаточных напряжений.

Технологический эффект упрочнения поверхностного слоя достигается при ударном режиме обработки, который характеризуется дискретным воздействием деформирующего инструмента на обрабатываемую поверхность с изменяющимся усилием деформации от нуля до максимального значения, превышающего предел текучести обрабатываемого материала. Вместе с. тем, реализация импульсного (ударного) режима деформирования возможна только при условии возбуждения и стабилизации в нагруженной колебательной системе резонансных- колебаний., Высокие: амплитуды колебанйй и значительные статические нагрузки на инструмент являются причиной чрезвычайной чувствительности резонансного ударного режима к- изменениям технологических пат раметров обработки, которые: в» результате проявления различных: нелинейных эффектов; могут привести к потере, устойчивости; срыву резонансных колебаний и переходу системы, в безударный режим* взаимодействия, когда пластическое деформирование металла практически отсутствует.

Сложность и неоднозначность поведения ультразвуковой колебательной системы в наиболее производительных, резонансных режимах обработки диктует необходимость создания теоретической модели процесса на основе совместного рассмотрения динамики колебаний: и ударного нагружения пластически деформируемого материала. Учитывая взаимосвязь вибрационных и деформационных процессов, такой подход позволяет с одной стороны, изучать технологические параметры, обработки: в зависимости от конструктивных и динамических особенностей технических средств реализации: процесса, а с другой; осуществлять, оценку влияния? технологических факторов? ультразвукового пластического деформирования на характеристики качества поверхностного слоя с. определением: степени деформационного упрочнения и поля остаточных напряжений создаваемых в обрабатываемом материале.

Цель диссертационной работы: Разработка математической модели ультразвуковой ударной обработки для определения эффективных, устойчивых режимов поверхностного пластического деформирования металла сварного шва и околошовной зоны, обеспечивающих^ формирование упрочненного поверхнот стного слоя с остаточными напряжениями сжатия;

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

1. Построение математической модели процесса ультразвуковой; ударной обработки поверхностным пластическим деформированием, позволяющей исследовать резонансные режимы колебаний и рассчитывать силовые параметры ударного воздействия на материал с учетом конструктивных* особенностей инструмента, динамических и технологических параметров;обработки.

2. Экспериментальное исследование процесса ударной обработки ультразвуковым инструментом с промежуточным бойком с оценкой влияния5 технологических параметров нагружения на динамические и силовые параметры ударного воздействия.

3. Исследование влияния технологических параметров ультразвуковой ударной обработки на качество поверхностного слоя с определением оптимальных, резонансных режимов, обеспечивающих упрочнение материала и формирование поля остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое сварного шва и околошовной зоны сварной конструкции.

4. Разработка метода измерения силы периодических высокочастотных ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности для оценки соответствия величины реализуемых технологических параметров нагружения заданным параметрам режима обработки.

Методы исследований. В работе использован комплексный- подход, включающий теоретические и экспериментальные исследования. Теоретические исследования проведены на основе теории виброударных систем, теории нелинейных колебаний, механики твердого тела с использованием модели ударного нагружения обрабатываемого материала в очаге деформации и динамики ультразвуковой ударной обработки. Расчеты, обработку результатов и графические построения выполняли на ПЭВМ с использованием программных средств-МАТСАО 12, РС-1аЬ2000. В'экспериментальных исследованиях применялась современная измерительная и регистрирующая аппаратура.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- установлено, что в процессе ультразвуковой ударной обработки поверхностным пластическим деформированием существование и устойчивость реализуемых ударных режимов обработки, а также сила ударов» деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности, определяются амплитудой колебаний ультразвукового преобразователя а и силой статической нагрузки на инструмент в.

- установлено, что наблюдаемое периодическое нарастание силы ударов при постоянной статической нагрузке на инструмент в, является результатом выхода колебательной системы на неустойчивые, предельные режимы обработки с максимальной ударной скоростью деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности.

- периодичность циклов нарастания и спада силы ударов при постоянных параметрах нагружения (о, л) определяется не только конструктивными параметрами инструмента и частотой ультразвука, но, также, зависит от интенсивности собственных высокочастотных колебаний обрабатываемого изделия, создающих условия для жесткого возбуждения неустойчивого предельного ударного режима.

- впервые при математическом моделировании процесса ультразвуковой' ударной обработки с использованием метода припасовывания решений, описывающих смежные интервалы движений, разделенные моментом удара, учитывается длительность удара деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности, определяемая экспериментальным путем. Такой подход позволяет совместно рассмотреть динамику колебаний и ударное нагружение пластически деформируемого материала и оценить влияние силовых параметров ударного воздействия, как на резонансные свойства колебательной системы, так и на деформационное упрочнение и поле остаточных напряжений, создаваемых в поверхностном слое изделия.

Практическая ценность (и внедрение) результатов работы:

- полученные аналитические выражения, описывающие ударные режимы взаимодействия элементов колебательной системы позволяют определять оптимальные технологические параметры нагружения, с учетом конструктивных и динамических особенностей ультразвукового инструмента и свойств обрабатываемого материала, а также осуществлять расчетную оценку силы ударов и величины ударных напряжений в локальной области контакта деформирующего'инструмента с обрабатываемой поверхностью.

- установленные закономерности влияния технологических; параметров ультразвуковой ударной обработки на характеристики качества поверхностного слоя сварного шва и околошовной зоны, позволяют назначать рациональные режимы ультразвуковой ударной обработки поверхностным пластическим деформированием, при которых достигается технологический эффект упрочнения материала с формированием в поверхностном слое благоприятных для прочности сварной конструкции остаточных напряжений сжатия.

- разработан метод (и его аппаратное обеспечение) измерения силы периодических высокочастотных ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности, позволяющий оценивать соответствие фактической нагрузки на инструмент в, прикладываемой мускульным усилием оператора при «ручном» способе реализации процесса обработки, заданному диапазону величины нагружения. Новизна технических решений, реализованных при разработке метода подтверждена патентом на полезную модель.

Результаты исследований и разработок использованы и внедрены в производство:

- в ОАО «Производственное объединение ЕлАЗ» для ультразвуковой ударной обработки сварных швов барабана лебедки подъемных агрегатов УПРС-60, грузоподъемностью 60 тонн, применяемых при ремонте скважин.

- в «Центре неразрушающего Контроля и Диагностики» КГТУ им. А. Н. Туполева для снижения остаточных сварочных напряжений после ремонта крупногабаритного шарового резервуара (емкостью 2000 куб. м., диаметром 16 м) для хранения жидкого аммиака под давлением на ООО «Менделеевсказот»;

- в ОАО «Казанское моторостроительное ПО» для ультразвуковой ударной обработки сварных швов корпусных деталей и узлов газотурбинных двигателей, и крупногабаритных сварных конструкций газоперекачивающих агрегатов.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель процесса ультразвуковой ударной обработки поверхностным пластическим- деформированием, построенная' с использованием метода припасовывания решений;, описывающих смежные- интервалы движений, разделенные моментом удара.

2'. Закономерности; влияния* технологических параметров-нагружения в. процессе; ультразвуковой ударной^ обработки на резонансные свойства ударных колебаний и силовые параметры ударного воздействия.

3. Закономерности влияния технологических режимов ультразвуковой ударной обработки на упрочнение поверхностного слоя сварного шва и околошовной зоны и остаточную напряженность сварной конструкции.

4. Метод измерения силы периодических высокочастотных ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности в процессе ультразвуковой ударной обработки поверхностным пластическим деформированием.

Апробация результатов работы.

Основные результаты докладывались и обсуждались на Всероссийской? научно-технической конференции "Проблемы; создания перспективных авиационных двигателей», (г. Москва, ЦИАМ) в 2005 году, на. Международной: научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-07» (г. Казань, КГТУ им. А. Н. Туполева) в 2007 году и на V Всероссийской научно-технической конференции, «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-09» (г. Казань, КГТУ им. А. Н. Туполева) в 2009 году, на XVI Симпозиуме «Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем «ВУУ18-2009» (г. Звенигород) в 2009 году.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 статьи (в изданиях, рекомендованных ВАК), 5 тезисов докладов-и патент на полезную модель. Структура и объём; диссертации; Диссертация состоит из;введения,, четьь рех глав, заключения, списка использованных источников из 114 наименований и Приложений на 11 страницах. Работа содержит 147 страниц машинописного текста, включая 30 иллюстраций, 6 таблиц и Приложения.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация в машиностроении», Шинкарев, Артем Сергеевич

Результаты исследования показали, что теоретически рассчитанный и экспериментально подтвержденный (см. главы 2 и 3) диапазон параметров нагружения (0=120-200 Н; /1=15 мкм), реализуемый на ультразвуковом оборудовании «Гефест 400», обеспечивает оптимальное сочетание параметров деформационного упрочнения поверхностного слоя материала. При этом максимальная производительность процесса ультразвуковой ударной обработки достигается -если скорость перемещения ультразвукового инструмента вдоль сварного шва находится в пределах V =20-3 5 мм/с. Увеличение скорости перемещения инструмента сверх оптимальной приводит к уменьшению степени деформационного упрочнения, а снижение скорости ниже величины V =20 мм/с, может привести к перенаклепу поверхностного слоя. Таким образом, рассчитанная с учетом устойчивых ударных колебаний бойка скорость перемещения много-бойкового инструмента (У~ 30 мм/с), обеспечивающая равномерное распределение пластических отпечатков по всей площади обрабатываемой поверхности, получила экспериментальное подтверждение.

Из полученных зависимостей видно (см. рис. 4.10), что варьирование величины параметров обработки (V в пределах установленного оптимального диапазона, обусловленное спецификой «ручного» способа реализации процесса, не оказывает существенного влияния на стабильность параметров деформационного упрочнения формируемого поверхностного слоя.

4.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕКСТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ На рис. 4.2 приведены фотографии поверхности сварного шва на заготовках из стали СтЗО и Х12Н20Т2Р до (см. Рис. 4.2 в, г) и после ультразвуковой обработки (см. Рис. 4.2 д, е).

Наблюдаемый чистый, равномерный, сглаженный рельеф обработанной поверхности, представляет собой систему многократно образующихся (перекрывающихся) отпечатков сферической формы (см. Рис. 4.2 д, е). Отсутствие выступов, впадин, подрезов и других потенциальных концентраторов напряжений способствует повышению износостойкости и коррозионной стойкости поверхности сварного шва и благоприятно влияет на усталостную прочность сварной конструкции [39, 82].

Отсутствие наблюдаемых короблений сварной конструкции после ультразвуковой обработки сварного шва свидетельствует о том, что поверхностная пластическая деформация, вызванная ударным воздействием ультразвукового инструмента на обрабатываемый материал не вносит каких - либо значительных остаточных деформаций.

Исследование поверхности околошовной зоны сварных заготовок стыкового соединения из стали Х12Н20Т2Р (ЭИ 696А) после ультразвуковой ударной обработки поверхностным пластическим деформированием проводилось на растровом электронном микроскопе 18М-6460ЬУ.

Анализ топографии поверхности образцов (см. Рис. 4.12), позволил установить общие закономерности в формировании рельефа поверхности, обусловленные влиянием технологических параметров обработки (см. Табл. 4.2).

В результате обработки в диапазоне скоростей перемещения инструмента V = 30-50 мм/с топография поверхности характеризуется направленно деформированной структурой, представляющей собой сочетание следов механической обработки и пластических отпечатков, образующих волнистый рисунок (см. рис. 4.12 а, б, в). Особенно четко волнистость деформации, совпадающая с направлением перемещения ультразвукового инструмента, проявляется при обработке с параметрами нагружения С=120^200 Н; Л =15 мкм (см. рис. 4.12 в).

Отсутствие чешуйчатости и выкрашивания металла свидетельствует о формировании регулярного рельефа поверхности с равномерным распределением следов обработки.

Поверхность образцов подвергнутых пластическому деформированию при скорости перемещения инструмента V<20 мм/с характеризуется деформационными чешуйками, наминами и локальным выкрашиванием металла (см. Рис. 4.12 г). Наблюдаемая картина, объясняется образованием валиков из некоторой части вытесненного металла вокруг углублений при формировании многочисленных взаимонакладывающихся пластических отпечатков. Образующийся валик представляет собой передеформированный материал с нарушенной сплошностью в результате интенсивной пластической деформации.

Действительно, дальнейшее уменьшение скорости перемещения инструмента до V= 10 мм/с приводит к образованию на поверхности зон схватывания и многочисленных участков выкрашивания материала (см. Рис. 4.12 д), что свидетельствует о перенаклепе поверхностного слоя.

На Рис. 4.13 приведены профилограммы поверхности сварных заготовок из стали Х12Н20Т2Р в исходном состоянии и после различных режимов ударной обработки. Видно, что поверхностное пластическое деформирование виброударным инструментом на исследованных режимах обработки приводит к полному переформированию исходной шероховатости и образованию волнистости поверхности, которая образуется как в результате вытеснения металла по краям пластических отпечатков, так и вследствие вибрации технологической системы: станок - деформирующий инструмент - деталь.

При этом профиль шероховатости поверхности обработанной с малой скоростью перемещения инструмента при постоянных параметрах нагружения (G, А) характеризуется уменьшением образующихся в результате обработки микронеровностей и волн (см. Рис. 4.13 б, в, г, д). Это подтверждается результатами измерений высотных Ra, Rz, Rmax и шаговых Sm (ГОСТ 2789-73) параметров шероховатости поверхности, выполненных с использованием профилометра (Mitutoyo) Surftest SJ-301. х 500 х 500 х 500 х 500 х 500 х 9300

500 х 9300 х 9300 х 500 х 9300 х 9300 х 9300 х 9300 х 9300 х 500 х 9300 х 9300 д х 500 х 9300

Рис. 4.12 Топография поверхности (РЭМ 18М-6460ЬУ) околошовной зоны сварной заготовки из стали Х12Н20Т2Р (ЭИ696А) после ударной обработки с параметрами: а) в =80+120 Н; С =120+200 Н; Л =10+15 мкм; У = 50 мм/с; б) в =120+200 Н; л=15 мкм; У = 30 мм/с; в) <5=80+120 Н; Л =15 мкм; У= 30 мм/с; г) в =80+120 Н; С =120+200 Н; Л =10+15 мкм; У =20 мм/с; д) С =80+120 Н; <7=120+200 Н; Л=10+15 мкм; У= 10 мм/с;

На Рис. 4.14 а, б и Рис. 4.15 а видно, что наибольшее снижение исходной шероховатости поверхности происходит в результате ударной обработки в режиме с параметрами нагружения С =120-200 Н; Л=15 мкм при минимальных скоростях перемещения инструмента. При этом величина среднего шага неровностей профиля 8ш, характеризующего взаимное расстояние вершин микронеровно- * стей с уменьшением скорости перемещения инструмента увеличивается (см. Рис. 4.15 6).

Исследование материала поверхностного слоя сварного шва и околошовной зоны сварных заготовок стыкового соединения из стали Х12Н20Т2Р (ЭИ 696А) после ультразвуковой ударной обработки поверхностным пластическим деформированием проводилось на поперечных шлифах методом металлографического анализа.

Микроструктура поверхностного слоя околошовной зоны сварной заготовки в исходном состоянии представлена полиэдрическими равноостными зернами аустенита 8-9 балла (ГОСТ 5639-82) (см. Рис. 4.16 а).

В микроструктуре наблюдается исходная текстура в виде полосчатости, образованная в результате нагартовки металла в процессе изготовления листового проката. Последующая термическая обработка восстанавливает исходную„, структуру, однако полосчатость нагартованного металла сохраняется. После термической обработки сварной заготовки (закалка с 1000 - 1040°С на воздухе, старение при 700°С, 8 часов) наблюдается разнозернистая структура (см. рис. 4.16 б), являющаяся результатом незавершенного процесса собирательной рекристаллизации.

Отдельные крупные зерна аустенита 2-3 балла окружены мелкими - 6 - 8 балла (ГОСТ 5639-82). с

В результате ультразвукового деформационного воздействия линии относительно ровной исходной полосчатости структуры как у поверхности (на глубине 300^500 мкм) (см. Рис. 4.17 а, б), так и в сердцевине (свыше 1000 мкм) (см. Рис. 4.17 в) искривляются и принимают волнообразный вид. а Д ж и

Рис. 4.13 Профилограммы поверхности сварных заготовок из стали Х12Н20Т2Р до (а) и после ударной обработки с параметрами: в=120-200 Н; Л=15 мкм; У= 50 мм/с (б); V- 30 мм/с (в); и = '20 мм/с (г); Г= 10 мм/с (д).

С =120-200 Н; А =10 мкм; V =20 мм/с (е); У= 10 мм/с (ж). 6=80-120 Н; Л=15 мкм; у = 20 мм/с (з); ¥= 10 мм/с (и).

Цена деления координатной сетки: 100 мкм по оси абсцисс; 5 мкм по оси ординат. а б

Рис. 4.14 Влияние скорости перемещения инструмента в процессе ударной обработки на величину параметров шероховатости поверхности 11а (а), Кг (б) околошовной зоны заготовок из стали Х12Н20Т2Р.

Пунктирной линией показан уровень исходной шероховатости поверхности. а б

Рис. 4.15 Влияние скорости перемещения инструмента в процессе ударной обработки на величину параметров шероховатости поверхности Ишах (а), Эш (б) околошовной зоны заготовок из стали Х12Н20Т2Р.

Пунктирной линией показан уровень исходной шероховатости поверхности.

В структуре поверхностного слоя, обработанного при малых скоростях перемещения инструмента до У = 20 мм/с на глубине 10-И 5 мкм границы зерен ау-стенита сильно раздроблены и слабо просматриваются (см. рис. 4.17 а), что связано в частности, с диффузией углерода, активизировавшейся вследствие, пластической деформации.

Дальнейшее уменьшение скорости перемещения инструмента до У = 10 мм/с, при максимальной величине параметров нагружения (О =120^200 Н; Л =15 мкм) приводит к перенаклепу поверхности, который характеризуется формированием тонкого чешуйчатого поверхностного слоя глубиной 3^5 мкм с выкрашиванием фрагментов металла. В зонах подверженных наибольшей деструкции, наблюдаются линии пластической деформации огибающие выбоины и углубления (см. рис. 4.17 б).

Ультразвуковая ударная обработка поверхности приводит к образованию текстуры деформации в поверхностных слоях металла, которая распространяется на глубину от 600 до 1000 мкм (см. рис. 4.18) в зависимости от интенсивности нагружения.

Наиболее выраженная текстура наблюдается при обработке в режимах, обеспечивающих максимальную силу ударов бойков (С=120^-200 Н; Л =15 мкм) при малых скоростях перемещения инструмента (см. Рис. 4.18 в).

При этом текстурированный слой характеризуется наибольшим эффектом упрочнения, что подтверждается результатами измерения микротвердости (см. Рис. 4.9).

Присутствие текстуры преимущественно в поверхностном слое обусловлено неравномерным распределением деформации в глубину материала, вдоль направления действия деформирующей силы.

На обработанной ультразвуковым инструментом поверхности наблюдаются периодические следы обработки, размеры которых, увеличиваются с уменьшением скорости перемещения ультразвукового инструмента (см. рис. 4.18).

Исходная полосчатость структуры х 100

Рис. 4.16 Микроструктура поверхностного слоя сварной заготовки из стали Х12Н20Т2Р (ЭИ696А) в исходном состоянии (а), после термообработки (б).

Исходная полосчатость структуры х 500

Линии пластической

Чешуичатость и выкрашивание матеоиала де мации

Рис. 4.17 Микроструктура поверхностного слоя сварной заготовки из стали Х12Н20Т2Р (ЭИ696А) после ультразвуковой ударной обработки с параметрами нагружения С =120-200 Н; А =15 мкм при скорости перемещения инструмента V = 20 мм/с (а), У= 10 мм/с (б, в).

Периодические следы обработки х 50 х 50

Рис. 4.18 Микроструктура поверхностного слоя сварной заготовки из стали Х12Н20Т2Р (ЭИ696А) после ультразвуковой ударной обработки с параметрами нагружения С =120-200 Н; А= 15 мкм при скорости перемещения инструмента V = 30 мм/с (а), У—20 мм/с (б), V— 10 мм/с (в).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении сформулируем основные выводы по диссертационной работе:

1. Математическое моделирование процесса ультразвуковой ударной обработки, основанное на припасовывании решений, описывающих смежные интервалы движений, разделенные моментом удара позволяет рассчитывать области существования и устойчивости резонансного режима ударных колебаний с учетом влияния конструктивных (/, е, б, мх, м2), динамических (со, л, д) и технологических (в, р, я, ту) параметров, производить оценку силового воздействия на материал и определять величину ударных напряжений в локальной области контакта деформирующего инструмента с поверхностью изделия, как на устойчивом, так и на неустойчивом - предельном ударном режиме деформирования.

2. Расчетная и экспериментальная оценка силовых параметров ударного воздействия на материал позволила установить, что основными параметрами, определяющими силу ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности, а, следовательно, и производительность ультразвуковой обработки поверхностным пластическим деформированием являются - амплитуда колебаний ультразвукового преобразователя а и сила статической нагрузки на инструмент в. Причем технологический эффект упрочнения материала с формированием в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия достигается, если величины параметров нагружения (а , с) обеспечивают реализацию устойчивого резонансного режима периодических ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности с частотой ультразвука, при котором в локальных очагах деформации создаются напряжения, превышающие предел текучести обрабатываемого материала.

3. Исследование условий существования и устойчивости резонансного режима обработки позволило установить, что выход колебательной системы на неустойчивые, предельные режимы с максимальной ударной скоростью подвижного деформирующего инструмента происходит в результате проявления нелинейных эффектов увеличения амплитуды колебаний преобразователя а и динамического увода корпуса ультразвукового инструмента с увеличением зазора между рабочим торцом волновода и обрабатываемой поверхностью.

4. Установленное при экспериментальном исследовании процесса ультразвуковой ударной обработки периодическое чередование циклов нарастания и спада силы ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности определяется повторяющейся последовательностью переходных процессов установления устойчивых ударных колебаний, с периодическим «затягиванием» на предельный ударный режим и последующим «срывом» с него на безударный режим взаимодействия. При этом, возбуждение и последующее нарастание интенсивности собственных высокочастотных колебаний обрабатываемого изделия, существенным образом влияет на динамику обработки, создавая условия для жесткого возбуждения неустойчивого предельного ударного режима.

5. В результате исследования влияния технологических параметров обработки на качество поверхностного слоя сварного шва и околошовной зоны установлено, что оптимальный, резонансный режим ударной обработки поверхностным пластическим деформированием, реализуемый на ультразвуковом оборудовании «Гефест 400», мощностью 400 Вт, при котором в поверхностном слое исследованных заготовок из сталей СтЗО и Х12Н20Т2Р формируются остаточные напряжения сжатия величиной 50-70 МПа, обеспечивается при условии поддержания силы статической нагрузки на инструмент в диапазоне в=120+200 Н, амплитуды колебаний ультразвукового преобразователя а =15 мкм и скорости продольной подачи инструмента в диапазоне V =20+35 мм/с. Причем, варьирование величины технологических параметров в пределах установленного оптимального диапазона, обусловленное спецификой «ручного» способа реализации процесса обработки, не оказывает существенного влияния на стабильность величин параметров, характеризующих качество поверхностного слоя.

6. При исследовании упрочнения и напряженности поверхностного слоя, установлено, что достигаемая при постоянных параметрах нагружения (а, с) степень деформационного упрочнения материала и величина остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое сварного шва и околошовной зоны сварной заготовки, определяются скоростью продольной подачи инструмента у (либо продолжительностью воздействия), характеризующей кратность силового воздействия на материал. I

7. Исследование параметров шероховатости обработанной поверхности показало, что ультразвуковая ударная обработка поверхностным пластическим деформированием в исследованных режимах (с ударными напряжениями в диапазоне 1,1 сгг<сгу<1,4сгг) сопровождается полным переформированием исходного микрорельефа поверхности. Причем, вследствие того, что скорость ударов деформирующего инструмента в десятки раз превышает скорость продольной подачи V, шероховатость формируемой поверхности определяется в основном плотностью распределения следов обработки (пластических отпечатков), исходными волнистостью и макроотклонением, и незначительно зависит от изменения скорости подачи V.

8. Разработан метод (и его аппаратное обеспечение) измерения силы периодических высокочастотных ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности, реализованный с помощью тарированного прибора,' преобразующего сигнал изменения электрического напряжения пьезодатчика, возникающего в результате удара, в информационный сигнал светового и стрелочного индикаторов. Использование метода измерения силы ударов при «ручном» способе реализации процесса обработки позволяет оценивать соответствие фактической нагрузки на инструмент с, прикладываемой мускульным усилием оператора, заданному диапазону величины нагружения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шинкарев, Артем Сергеевич, 2010 год

1. Абрамов О. В., Кулемин А. В., Манегин Ю. В. Применение ультразвука при прессовании металлов. В кн.: Применение новых физических методов для интенсификации металлургических процессов. М.: Металлургия. 1974. С. 203-208.

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

3. Александров Е.В., Соколинский В.Б. Прикладная теория и расчеты ударных систем. М.: Наука, 1969. 199 с.

4. Артемьев В. В., Клубович В. В., Сакевич В. Н. Ультразвуковые ударные процессы. Мн, БНТУ, 2004, 258 с.

5. Асташев В. К. О влиянии высокочастотной вибрации на процессы пластического деформирования // Машиноведение. 1983, № 2. с. 3 — 11.

6. Асташев В. К. О согласовании колебательной системы с приводом и нелинейной нагрузкой // Машиноведение. 1978. № 3. с. 9-16.

7. Асташев В. К., Бабицкий В. И. Эффективность резонансной настройки систем для ультразвуковой обработки // Машиноведение. 1981. № 6. С. 3— 9.

8. Асташев В. К. Герц М. Е. Возбуждение и стабилизация резонансных колё-баний ультразвуковых стержневых систем // Акуст. журн. 1976. Т. 22, № 2. С. 192-200.

9. Асташев В. К., Сакаян А. Р. Экспериментальное исследование динамики колебательной системы ультразвукового станка // Машиноведение. 1967. №4. С. 3-4.

10. Отделочно-упрочняющая обработка деталей многоконтактным виброударным инструментом. / А. П. Бабичев, П. Д. Мотренко и др. — Ростов н/д: Издательский центр ДГТУ, 2003. 192 с.

11. Бабицкий В.И. Теория виброударных систем. М., «Наука», 1978. 352 с.

12. Бадалян В.Г., Казанцев В.Ф., Статников Е.Ш., Шевцов Е.М., Механизмультразвуковой ударной обработки сварных соединений. //Вести, машиностроения. 1979: №8. С. 56-58.

13. Базелюк Г. Я., Козырский П. Я., Петрунин Г. А., Полоцкий Г. И. Влияний предварительного ультразвукового облучения и механики термической обработки на сопротивление ползучести алюминия // ФММ. 1971. Т. 32, № 1.С. 145-151.

14. Белозеров Э. П., Светашов А. А., Тяпунина Н. А. Влияние ультразвукового воздействия на дислокационную структуру щелочно-галоидных кристаллов разных ориентаций // Кристаллография. 1983. Т. 28, № 2. С. 346-350.г

15. Биргер И. А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963.

16. Боголюбов Н. Н., Митропольский Ю. А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. М.: Наука, 1974. 503 с.

17. Бутенин Н. В., Лунц Я. Л., Меркин Д. Р. Курс теоретической механики. Т.2. Динамика. М., Наука, 1985, 496 с.

18. Вагапов И.К. Нелинейные эффекты в ультразвуковой обработке. Мн.: Наука и техника, 1987. 159с.с

19. Вагапов И.К., Ганиев М.М. Динамическая модель ударной обработки сварных соединений ультразвуковым инструментом с промежуточным бойком' // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2007, №2, С. 69-76.

20. Вагапов. И. К., Ганиев М. М., Шинкарев А. С. Исследование изменения остаточных напряжений после ультразвуковой обработки в сварочных швах // Вопросы вибрационной технологии. Межвуз. сб. науч. ст. Ростов на Дону: ДГТУ, 2003. - С. 138 - 139. г

21. Вагапов И.К., Ганиев М.М., Шинкарев A.C. Исследование влияния ультразвуковой ударной обработки на значение и распределение остаточных напряжений в сварной заготовке // Изв. Вузов. Авиационная техника. 2005, №2, с. 56 59.

22. Вагапов И. К., Ганиев М. М., Шинкарев А. С. Теоретическое и экспериментальное исследование динамики ультразвуковой ударной системы с промежуточным бойком // Изв. вузов «Машиностроение», №5, 2008, с. 324. <

23. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти т. Т.6. Защита от вибрации и уда-ров./Под ред. К.В. Фролова. 1981, 456 с.

24. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти т. Т.1. Колебания линейных систем /Под ред. В.В. Болотина. 1978. 362 с.

25. Вишняков Я. Д., Пискарев В. Д. Управление остаточными напряжениями в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1989, 254 с.

26. Винокуров В. А., Григорянц А. Г. Теория сварочных деформаций и напряжений. М.: Машиностроение, 1984. 280 с.

27. Волоховская О. А., Пановко Г. Я. Исследование поведения напряженных поликристаллических материалов при внешних периодических воздействиях // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1997. №1. с. 4251.

28. Волоховская О. А., Лукин Л. В., Пановко Г. Я. Моделирование процесса снижения остаточных напряжений в зоне сварного стыка при вибрационной обработке // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2002, №3.

29. Воробьев В.Г., Локшин И.Х. Снижение остаточных внутренних напряже-- ний в металлических деталях виброционно-термической обработкой // МИТОМ. 1966. - №7. - С. 8 - 12.

30. Гаврилова Т. М. Физико-механические свойства поверхностного слоя деталей после ультразвукового раскатывания // Технология машиностроения. 2008. № 11. С. 10-13.

31. Ганиев М.М., Вагапов И.К., Шинкарев A.C. Экспериментальное исследование ударной обработки ультразвуковым инструментом с промежуточном бойком. Изв. вузов. Авиационная техника. 2008. - № 4. - С. 41 - 44.

32. Устройство для измерения силы ударов: пат. 87796 Рос. Федерация / Ганиев М. М., Шинкарев А. С. ; заявитель и патентообладатель Казанское моторостроительное ПО. №2008134198 ; заявл. 05.10.07 ; опубл. 20.10.09.

33. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / под. ред. И. П. Голяминой. М.: Советская энциклопедия, 1979. 400 с.

34. Гиндин И. А., Малик Г. М., Нечволод К. М. Влияние ультразвукового облучения на область действия механизма истощения дислокаций в процессетступенчатой ползучести монокристаллов // Укр. физ. журн. 1968. Т. 13, № 11. С. 1823- 1827.

35. Гусейнов А. П. Прочность при изотермическом и при неизотермическоммалоцикловом нагружении. М.: Наука. 1979. 296 с.

36. Езовских В. Е. Метод негладких преобразований в применении к виброударным системам с подвижными ограничителями // Изв. АН СССР. Мех.г»",тв. тела. 1985. № 5. С. 52 56.

37. Журавлев В. Ф. Метод анализа виброударных систем при помощи специальных функций // Изв. АН СССР. Мех. тв. тела. 1976. № 2. С. 30 34.

38. Ивашкин Ю. А., Тяпунина Н. А. Влияние ультразвука на концентрацию точечных дефектов в кристаллах КВч // Кристаллография. 1982. Т. 27, № 5. С. 1007-1009.

39. Казанцев В. Ф. Физические основы воздействия ультразвуковых колебаний на процесс пластического деформирования. — В кн. Повышение эффективности технологических процессов в поле акустических колебаний. М.: Металлургия, 1981, с. 91 96.

40. Казанцев В. Ф., Сергеева К. Я. Исследование акустических потерь в меди в поле мощных ультразвуковых и статических напряжений // Докл. АН СССР. 1979. Т. 248, № 4. С. 848 850.

41. Киричек А. В., Соловьев Д. JL, Лизуткин А. Г. Технология и оборудованиестатико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформирос

42. Киселев Е. С. Интенсификация процессов механической обработки использованием энергии ультразвукового поля. Ульяновск: УлГТУ, 2003. 186 с.

43. Киселев Е. С., Ковальногов В. Н., Коршунов В. А. Технологическое обеспечение качества деталей с биметаллическими поверхностными слоями в процессе механической обработки // Упрочняющие технологии и покрытия. 2009. №3. С. 29-33.

44. Киселев Е. С., Степчева 3. В. эффективность касательно-осевых наложений ультразвуковых колебаний в процессе алмазного выглаживания стальных заготовок // Упрочняющие технологии и покрытия. 2007. №7. С. 34-38.

45. Киселёв М.Г., Минченя В.Т, Ибрагимов В.А. Ультразвук в поверхностнойобработке материалов. Мн.: Тесей, 2001. 344с.

46. Киселев М.Г., Савицкий С.С. Исследование режимов работы технологической акустической системы с подвижным инструментом // Приборостроение. 1989. № 11. С. 93-98.

47. Клубович В. В. В сб. «Труды конференции молодых ученых АН БССР». Мн, 1962.

48. Клубович В.В, Вагапов И.К. Модель пластического деформирования упрочняющегося материала с наложением ультразвука // Докл. АН БССР.- 1991. Т.35, №4. С.338-341.

49. Клубович В. В., Вагапов И.К., Сакевич В.Н. Исследование виброударных режимов тела, движущегося между неподвижным и колеблющимся ограничителями // Докл. АН БССР. 1986. Т.ЗО, №8. С.717-719.

50. Клубович В. В., Степаненко А. В. Ультразвуковая обработка материалов. Мн.: Наука и техника, 1981. 295 с. . '

51. Кобринский А.Е, Кобринский A.A. Виброударные системы. М.: Наука, 1973. 592 с.

52. Копылов Ю. Р. Виброударное упрочнение. — Воронеж: Ин-т МВД России, 1999.-386 с.

53. Кудрявцев И. В. Внутренние напряжения как резерв прочности в машиностроении. М. :Машгиз, 1951. ^

54. Кудрявцев И. В. Поверхностное пластическое деформирование деталей машин как эффективный путь повышения их прочности и долговечности // Пути снижения металлоемкости и трудоемкости при создании изделий. — М.: МДНТП. 1979. - С. 140 - 149.

55. Кулемин А. В. Поглощение ультразвука в металлах в процессе их пластической деформации // Акуст. журн. 1980. Т. 26, № 5. С. 735 740.

56. Кулемин А. В. Ультразвук и диффузия в металлах. М.: Металлургия, 19783197 с.

57. Лебедев В. А., Стрельцова И. П. Оценка производительности динамических методов ППД // Упрочняющие технологии и покрытия. 2006. № 5. С. 17-20.

58. Лебедев В. А., Чумак И. В. Кинетическая модель упрочнения поверхностного слоя деталей виброударными методами ППД // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 7. С. 3 8.

59. Лесюк Е. А. исследование влияния выбора охлаждающей среды на микроiтвердость сталей при ультразвуковой упрочняющей обработке // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 9. С. 49 52.

60. Макаров В.Ф., Половинкин А.Х. Оценка напряженно-деформированного состояния при ультразвуковой упрочняющей финишной обработке деталей ГТД// Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 5. С. 49 52.

61. Марков А. И. Ультразвуковая обработка материалов. М.: Машиностроение, 1980, 237 с.

62. Опыт промышленного применения ультразвуковой техники и технологий.

63. Под ред. А.И. Маркова. М.: НТО МАШПРОМ, 1976. 232 с.

64. Марков А. И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. М.: Машиностроение, 1968. 266 с.

65. Марков А. И, Озерова М. А, Устинов И. Д. Применение ультразвука при алмазном выглаживании деталей. Вестник машиностроения, 1973, № 9. С. 57-61.

66. Муханов И. И. Импульсная упрочняюще-чистовая обработка деталей машин ультразвуковым инструментом. НТО. МАШПРОМ. М.: Машиностроение, 1978. 44 с.

67. Опара В. С. Электрогидроимпульсный метод снижения остаточных напряжений в сварных конструкциях // Сварочное производство. 1990. №2. С. 12-13.

68. Пальмов В. А. Колебания упругопластических тел. М.: Наука, 1976. 328 с.

69. Пановко Я. Г. Введение в теорию механического удара. М.: Наука, 1979. 224 с.

70. Папшев Д. Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пласт-ческим деформированием. М.: Машиностроение, 1978. 152 с.

71. Полоцкий И.Г, Белецкий В.М, Прокопенко Г.И., Табачник В.И. Упрочнение титанового сплава с помощью ультразвука //Вестник машиностроения, 1977. М. С. 74-75.

72. Полоцкий И.Г, Недосека А.Я, Прокопенко Г.Н и др. Снижение остаточных сварных напряжений ультразвуковой обработкой // Автоматическая сварка. 1974, - № 5. - С.74-75.

73. Прокопенко Г.И, Лятун Т.А. Исследование режимов поверхностного упрочнения с помощью ультразвука //Физика и химия обработки материалов. 1977. №3. С. 91 95.

74. Рагульскене В.Л. Виброударные системы. Вильнюс: Минтис, 1974. 320 с.

75. Сагалевич В.М. Методы устранения сварочных деформаций и напряжений. 1974, М, Машиностроение, 248 с.

76. Сагалевич В.М, Савельев В.Ф. Остаточные напряжения и эксплуатацибнная точность сварных конструкцнй//Тр.2-го Всесоюзного симпозиума: Остаточные технологические напряжения. М.: АН СССР. - 1985. - С.292-302.

77. Сакевич В. Н. Исследование устойчивости основного режима в колебательной системе с билинейной упругой характеристикой. М., 1985. Деп. в ВИНИТИ 15.10.85, № 7252-В. 13 с.

78. Северденко В. П., Клубович В. В. Деформация металла в ультразвуковом поле. ДАН БССР, 5, № 1, 1961.

79. Северденко В. П., Клубович В. В. Известия вузов, «Черная металлургия», 1965, № 1.

80. Северденко В. П., Клубович В. В., Степаненко А. В. Ультразвук и пластичность. Мн.: Наука и техника, 1976. 448 с. ?

81. Северденко В. П., Клубович В. В., Степаненко А. В. Обработка металлов давлением с ультразвуком. Мн.: Наука и техника, 1973. 288 с.

82. Северденко В.П., Клубович В.В., Степаненко A.B. Прокатка и волочение с ультразвуком. Мн.: Наука и техника, 1970. 280 с.

83. Северденко В. П., Клубович В. В., Харитонович М. В. В сб. «Пластичность и обработка металлов давлением». Мн., «Наука и техника», 1966, 179 -190.

84. Севереденко В. П., Скрипниченко А. JL, Тявловский М. Д. Ультразвук и прочность. Мн.: Наука и техника, 1979. 214 с.

85. Северденко В. П., Петренко С. И., Петренко В. В. Разупрочнение алюминия при осадке с ультразвуком // Докл. АН БССР. 1974. Т. 18, №11. С. 999 -1001.

86. Скороходов А.Н., Зудов Е.Г., Киричков A.A., Петренко Ю.П. Остаточные напряжения в профилях и способы их снижения. М.: Металлургия. — 1985. 185 с.

87. Смелянский В. М., Калпин Ю. Г., Баринов В. В. Исчерпание запаса пластичности металла в поверхностном слое деталей при обработке обкатыванием // Вестник машиностроения. 1990. № 8. С. 54 58.

88. Сулима А. Н., Евстигнеев М. И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М., «Машиностроение», 1974, 256 с.

89. Суслов А.Г Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. М.: Машиностроение, 1987. 208 с.

90. Суслов А.Г., Гуров Р.В. Проектирование операций отделочно— упрочняющей обработки поверхностио-пластическим деформированием // Упрочняющие технологии и покрытия. 2010. № 3. С. 14-16.

91. Суслов А. Г., Гуров Р. В., Тишевских Е. С. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 9. С. 20 22.

92. Инженерия поверхности деталей / Колл. авт.; под ред. А. Г. Суслова. М.: Машиностроение. 2008. 320 с.

93. Табенкин А. Н., Тарасов С. Б., Степанов С. Н. Шероховатость, волнистость, профиль. Международный опыт / Под ред. канд. техн. наук Н. А; Табачниковой. СПб.: Изд-во политехи, ун-та, 2007. 136 с.

94. Теумин И.И. Ультразвуковые колебательные системы. М.: Машгиз, 1959.331 с.

95. Тяпунина H. А, Зиненкова Г. М, Гаспарян С. В., Атта А. Дислокационная структура магния, деформированного ультразвуком // ФММ. 1979. Т. 48, №5. С.1017-1024.

96. Федоров A.C. Технология управления формой и точностью кольцевых деталей за счет поверхностных остаточных напряжений // Тр.2-го Всесоюзного симпозиума: Остаточные технологические напряжения. — М.: Изд-во АН СССР. 1985. - С.337 - 342.

97. Холопов Ю.В. Обработка сварных соединений металлов ультразвуком с целью снятия остаточных напряжений // Сварочное производство. 1973, № 12. С. 20-21.

98. Шевцов С. Н, Алексеев В. Н, Бабичев И. А. Регуляризация микрорельефа поверхностей трения многоконтактным виброударным инструментом // Вестник ДГТУ. Сер. Трение и износ. Ростов н/Д: ДГТУ, 2000. С.83-87.

99. Шестаков С.Д, Ганиев М.М. Ультразвуковой виброударный инструмент. Патент РФ, №2259912, Бюл. №25, 2005.

100. Штефан В. В, Тентлер А. В, Подольский В. Е. Управление уровнем концентраторов механических напряжений деформированного состояния ь стальных конструкциях //Контроль. Диагностика. 2003, № 7, с. 61-64.

101. Янченко Ю.А, Сагалевич В.М. Влияние ультразвуковой обработки на снижение остаточных напряжений и деформации сварных соединений из высокопрочных сталей // Вестник машиностроения, 1978. №11. С. 60 63.

102. Янченко Ю.А, Завалишин Н.И, Савельев В.Ф, Румянцев Е.А. Предел текучести материала при контактной ультразвуковой обработке //Изв. вузов. Машиностроение. 1981. №7. С. 112 114.

103. Astashev V.K, Babitsky V.l. Ultrasonic cutting as a nonlinear (vibro-impact) process //Ultrasonics. 1998, V.36, №6, p. 89-96.

104. Isumi O, Oyama K, Suzuki Y. On the Superimposing of Ultrasonic Vibration during Compressive Deformation of Metals. Transact. Japan Inst. Metals, 1966, v. 7, № 3, p. 158-162