Факультет инженерной механики и машиностроения
Специальность: «Технология машиностроения»
Тема выпускной работы:
«Повышение качества и эффективности обработки изделий на базе поверхностно-пластической деформации и ультразвуковых процессов»
Научный руководитель: д.т.н., профессор Михайлов Александр Николаевич
Автореферат по теме выпускной работы
Содержание
Введение
Основные задачи
Актуальность работы
Особенности обработки тонкостенных изделий
Обзор существующих исследований и разработок
Литература
Введение
Развитие современного машиностроения характеризуется созданием конструкций и узлов машин, предназначенных для работы в различных условиях эксплуатации. Эти задачи решаются в соответствии с требованиями экономического и социального развития, предусматривающими сосредоточение усилий на повышении качества, надежности, экономичности и производительности оборудования, снижение материалоёмкости и энергопотребления. Большое значение имеет поиск новых методов, позволяющих обеспечить высокую производительность, требуемую точность и качество обработанных поверхностей. В этом плане теоретические разработки, новые идеи, а так же повышение возможностей известных методов имеют особое значение.
Более 80% деталей машин и приборов выходят из строя по причине износа и потери эксплуатационных качеств. Отсюда вытекает необходимость улучшения физико-механических характеристик металла и геометрических параметров рабочих поверхностей деталей. Кроме того, при применении прогрессивных технологических процессов следует стремиться к повышению производительности обработки и экономии металлов.
Постоянное развитие техники на современном этапе требует использование деталей, имеющих тонкие стенки(с целью экономии материала и облегчения конструкции в целом). В настоящее время их количество значительно увеличивается в общей массе деталей, подвергаемых механической обработке. Тонкостенные изделия, обеспечивая высокую прочность и плотность компоновки, находят широкое применение в самых разных отраслях промышленности и, что особенно важно, в областях самолето- и ракетостроениия, криогенной технике, пневмо- и гидроаппаратуре, двигателестроении, холодильных установках, космических и военно-промышленных разработках [5].
В качестве окончательной обработки тонкостенных деталей применяют главным образом абразивную обработку. На этой стадии технологического процесса окончательно формируются параметры поверхностного слоя и размеры готовой детали. Однако при шлифовании тонкостенных днталей наблюдаем высокие температуры в зоне резания, в результате чего могут возникнуть проблемы, связанные с прижогами, изменениями структуры металла и возникновением внутренних напряжений. Отсюда вытекает еще ряд проблем – подбор смазывающе-охлаждающих технологических сред (СОТС) и определение наиболее приемлемой схемы охлаждения. Это заставляет задуматься о поиске новых способов обеспечения требуемых параметров качества.
С точки зрения функционально-ориентированного подхода наиболее сложно управлять процессом формирования эксплуатационных свойств деталей машин. Удобным инструментом для воздействия на процесс формирования эксплуатационных характеристик при поверхностно-пластической деформации следует считать рациональное применение энергии ультразвукового поля [1].
Основные задачи:
-Теоретическое исследование факторов, влияющих на качество упрочняющей обработки тонкостенных изделий, путем ориентации технологических воздействий в зонах эксплуатационных особенностей деталей.
-Синтез технологического обеспечения для ультразвуковой упрочняющей обработки тонкостенных изделий
-Разработка приспособления повышающего жесткость установки деталей и приспособления для обработки ;
-Подбор рациональных режимов обработки тонкостенных изделий на базе использования ультразвуковых явлений;
-Исследование влияния обработки на шероховатость обработанной поверхности;
- Исследование влияния обработки на геометрические отклонения поверхностей тонкостенных изделий;
- Разработка рекомендаций по достижению оптимальных показателей, которые обеспечивают наиболее экономичное получение необходимых параметров состояния поверхностного слоя.
Актуальность работы
Эксплуатационная надёжность машин определяется в основном качественным состоянием рабочих поверхностей деталей, формируемых на финишных операциях технологических процессов (напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя, технологические остаточные напряжения, динамика нагружения, физико-механические свойства материала, макро- и микрогеометрия, геометрическая точность).
В этой связи важными и актуальными для технологии машиностроения являются совершенствование известных и разработка новых, научно обоснованных, технически доступных и экономически целесообразных технологических процессов обработки рабочих поверхностей деталей для повышения их эксплуатационных характеристик. Несмотря на успехи в этих областях ряд важных теоретических и практических вопросов не нашел свое отражение в фунционально-ориентированных технологических процессах получения и обеспечения требуемых параметров качества.
Одним из перспективных методов, позволяющих решить поставленные задачи, является эффективный и экологически чистый способ упрочняющей обработки деталей ультразвуком (УЗО. В основу метода положен процесс технологического ППД, который позволяет, варьируя технологическими режимами обработки, получить поверхность с необходимыми физико-механическими свойствами. В процессе обработки происходит формирование благоприятного напряженно-деформированного состояния материала поверхностного слоя в тонкостенных изделиях, технологических остаточных напряжений в них, оптимальной шероховатости, обеспечивающих повышенные эксплуатационные характеристики рабочих поверхностей.
В связи с вышеизложенным, актуальным является комплексное исследование процесса обработки, изучения взаимосвязи показателей динамики нагружения поверхностей с режимами обработки, эксплуатационными характеристиками контактирующих поверхностей
Технико-экономическая эффективность процессов обработки, основанных на поверхностной пластической деформации металла, обеспечивается за счет:
- повышения производительности и снижения трудоёмкости производства заготовок и высокоточной обработки деталей, так как при этом могут исключаться доводка, хонингование, термообработка и другие низкопроизводительные процессы;
- экономии металла в результате приближения конфигурации заготовки к форме деталей и обработки поверхностей деталей без снятия стружки; снижения себестоимости заготовок и деталей машин и приборов;
- улучшения качества и эксплуатационных свойств деталей (износостойкость, прочность, сопротивление ползучести и др.) и узлов;
- уменьшения затрат на эксплуатацию машин и приборов в результате улучшения качества и эксплуатационных свойств деталей.
Использование ультразвука дополнительно позволяет интенсифицировать процесс обработки.
Особенности обработки тонкостенных изделий
Приведем классификацию тонкостенных изделий:
Все тонкостенные изделия подразделяются на два вида: тела вращения и корпуса. Корпуса делятся на оболочки и пластины. Оболочки бывают простой и сложной конфигурации. Тела вращения, в свою очередь делятся на жесткие (соотношение длины отверстия к его диаметру ≤ 1) и нежесткие (соотношение длины отверстия к его диаметру > 1). Кроме того тонкостенные изделия разделяются по толщине стенки. Тонкостенные изделия по типу внутренних плоскостей бывают сквозные и глухие, которые бывают простыми и ступенчатыми.
В планируемой магистерской работе будет рассматриваться обработка тонкостенных изделий типа "тела вращения".
Тонкостенные изделия можно обрабатывать методами пластического деформирования.
Рисунок 2 - Классификация методов поверхностностного пластического деформирования
К данной классификации относятся все методы обработки заготовок, связанные с пластическим деформированием только их поверхностных слоев и практически не изменяющие исходную точность размеров. Это накатывание, обкатывание, раскатывание, виброобработка, динамическое упрочнение, электромеханическая и комбинированная обработка различных поверхностей деталей машин. Причем, в зависимости от функционального назначения за счет изменения рабочего давления обработку можно производить на отделочных, упрочняющих и промежуточных отделочно-упрочнящих режимах.
Отделочная обработка осуществляется при небольших рабочих давлениях p ≤1,5σт и позволяет улучшить несущую способность исходной шероховатости поверхности (увеличить относительную опорную длину с 1-2 до 15-20%). При этом особенно ярко выражается технологическая ответственность. Упрочняющую обработку производят при р >3σт, при этом значительно повышается степень(U H )и глубина упрочнения.
Обработка на промежуточных отделочно-упрочняющих режимах ( 1,5σт≤ р <3σт ) позволяет улучшить несущую способность параметров шероховатости и волнистости и повысить исходную поверхностную микротвердость на небольшую глубину, то есть комплексно повысить несущую способность поверхностного слоя(уменьшить комплексный параметр С x в 10-20 раз)
Наибольшее влияние на качество обработанных тонкостенных цилиндров оказывает зажимное приспособление, поэтому решение проблемы закрепления таких заготовок сводится к исследованиям в области технологической оснастки. Для обработки таких заготовок наиболее рационально применять приспособления с распределенными силами закрепления. Такие приспособления ориентированы на равномерное распределение усилий закрепления или стремящиеся к нему (множественность точек приложения). Считается, что равномерно распределенные силы приводят к равномерной деформации тонкостенной поверхности оболочковой заготовки. Однако на практике при обработке тонкостенных цилиндров прецизионных деталей обнаружились погрешности формы. Это связано с так называемым краевым эффектом. Наиболее заметно влияние краевого эффекта при обработке деталей с жесткими требованиями отклонения формы оболочковой поверхности. Эти отклонения сравнимы с величиной погрешности формы. В таком случае необходимо прибегать к преднамеренному искажению поверхности цилиндра [5]. Суть преднамеренных искажений состоит в создании сил закрепления, распределенных по определенному закону. В настоящее время ведутся работы в области технологии машиностроения, связанные с заданным неравномерным распределением сил закрепления. Но оснастка, обеспечивающая любой заданный закон распределения еще не получила распространения на производстве. Явления, связанные с преднамеренными искажениями, рассматривались в работах Ш.М. Билика, А.М. Дальского, М.П. Новикова и других ученых.
Достичь эффективного упрочнения при уменьшении силового воздействия позволяет использование энергии ультразвуковых колебаний, оказывающих существенное влияние на характер контактного взаимодействия инструмента и заготовки. При ультразвуковом воздействии на инструмент обеспечивается существенное уменьшение трения в очаге деформации. В работе [7] выведено уравнение для расчета интенсивности изнашивания в период нормального износа при постоянных условиях работы и физико-механических свойствах материала в зависимости от параметров поверхностного слоя. Экспериментальные исследования [7] сопротивления усталости, проведенные на образцах из стали 30ХГСА (НRС 35-37), показали, что предел выносливости образцов при уменьшении их шероховатости с Rа =0,74мкм до Rа =0,22мкм в среднем увеличивается на 14%, а срок службы более чем в 3 раза. Применение ультразвука может обеспечить повышение долговечности изделий, поэтому можно считать целесообразным введение этой операции в технологический процесс.
Обзор существующих исследований и разработок
Подобные темы неоднократно освещались во многих литературных изданиях, так попытки использования энергии ультразвукового (УЗ) поля для интенсификации процессов механической обработки известны с конца 30-х годов ХХ века. Характерной особенностью современного состояния физики и техники ультразвука является многообразие его применений, охватывающих частотный диапазон от слышимого порога до частот в несколько мегагерц и область мощностей от долей милливатт до десятков киловатт с использованием модуляции колебаний по амплитуде, частоте и фазе. Малая длины волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн. Благодаря этому начинает широко применяться фокусирование УЗ волн посредством акустических линз, рефлекторов и излучателей вогнутой формы. Последнее позволяет концентрировать звуковую энергию, получая в среде высокие значения интенсивности звука, которых на поверхности традиционных излучателей колебаний получить невозможно. Современные фокусирующие системы позволяют формировать заданные характеристики направленности ультразвуковых колебаний (УЗК) и управлять ими.
Как известно, влияние УЗ поля на пластическую деформацию связано, с одной стороны, с увеличением числа дислокаций под действием знакопеременных нагружений (упрочнение металлов), с другой – с увеличением их подвижности (разупрочнение). Эффекты снижения трения и увеличения пластичности широко используются при обработке металлов поверхностно-пластическим деформированием (ППД) с наложением УЗК. Ударное воздействие колеблющегося с УЗ частотой наконечника инструмента (наиболее часто – алмазного выглаживателя) на пластичные металлы вызывает упрочнение их поверхностного слоя, сглаживание микронеровностей поверхности. Такая обработка в научно-технической литературе именуется отделочно-упрочняющей и широко используется с целью повышения долговечности и надежности деталей машин, что объясняется не только уменьшением высотных параметров шероховатости и увеличением поверхностной микротвердости, но и созданием сжимающих остаточных напряжений.
При обычной обработке ППД (без УЗК) инструмент прижимают к обрабатываемой заготовке с силой Р = 500 – 5000 Н, что не позволяет ее использовать при изготовлении тонкостенных деталей. Колебания наконечника с УЗ частотой позволяют уменьшить Р на порядок. Это обусловлено тем, что при контакте инструмента, колеблющегося с УЗ частотой, и обрабатываемой поверхности заготовки возникает удар, при котором мгновенные значения усилий, носящих импульсный характер, во много раз превосходят значения статических усилий прижима. Характерной особенностью УЗ отделочно-упрочняющей обработки является возникновение на поверхности заготовки быстро чередующихся деформаций сжатия и сдвига [2].
Рисунок 3 - Кинематика обработки поверхностным пластическим деформированием с использованием ультразвукых колебаний.
(24Кб, 13 кадров, количество циклов повторения - 7; Easy GIF Animator)
При УЗ отделочно-упрочняющей обработке используют УЗ инструменты, работающие с частотой 18 – 44 кГц, амплитудой 8 – 10 мкм, потребляемой мощностью 0,1 – 0,6 кВт. Сила Р при этом составляет не более 80 – 100 Н, скорость движения инструмента вдоль обрабатываемой поверхности заготовки v = 0,1 – 2,5 м/с. Наиболее целесообразно применение УЗ отделочно-упрочняющей обработки при изготовлении прецизионных деталей, которые имеют пониженную жесткость и при обычных способах упрочнения деформируются. Применение УЗК позволяет уменьшить высоту микронеровностей в 8 – 10 раз, получить высокую поверхностную микротвердость, создать сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое [3]. Одновременно происходит перераспределение остаточных напряжений во всей детали, снимаются остаточные сварочные напряжения и уменьшается концентрация напряжений возле пор, микротрещин и т. п., что приводит к повышению коррозионно-усталостной прочности. УЗ отделочно-упрочняющая обработка алмазным выглаживанием обеспечивает повышение предела выносливости деталей из аустенитных и мартенситных сталей на 36 – 44 % по сравнению с полированием износостойкость их возрастает в 1,5 раза [3]. Исследования влияния УЗК на сопротивление пластической деформации и механические свойства труднообрабатываемых высоколегированных, высокопрочных и жаропрочных сталей и сплавов (в том числе, титановых), выполненные М. С. Нерубаем [4], показали, что независимо от состава и исходных механических свойств исследованных материалов общей закономерностью УЗ сжатия является значительное снижение усилий деформирования, необходимых для получения эквивалентных деформаций. С увеличением амплитуды колебаний эффективность воздействия ультразвука увеличивается. При постоянной амплитуде колебаний положительный эффект ультразвука зависит от состава и структуры испытуемых материалов. Так, при ультразвуковом сжатии титановых сплавов относительное снижение усилий деформирования меньше, чем при испытаниях в аналогичных условиях дисперсионно-твердеющих сплавов типа ХН70ВНТЮБ, ХН75ВМФЮ [4].
Наложение ультразвука,
как установлено М. С. Нерубаем [4], снижает сопротивление пластической
деформации при сжатии, а сам процесс характеризуется более низкими значениями σс02
и σсθ. Указанный эффект в большей степени
проявляется при сжатии высоколегированных материалов, не содержащих
γ′-фазы. Для сплавов, образующих при охлаждении γ′-фазу,
эффективность УЗ воздействия снижается с увеличением содержания последней.
Предложено использовать в качестве критерия эффективности дополнительного энергетического воздействия коэффициент Кэ, равный отношению предела текучести σс02 в обычных условиях к аналогичной характеристике при УЗ или тепловом воздействии. Показано также, что основные закономерности воздействия ультразвука на сопротивление пластической деформации, полученные при стандартных испытаниях (на специальном испытательном стенде при нормальной и повышенной температуре и параметрах синусоидального УЗ поля: частоте fp = 20 – 22 кГц и амплитуде А = 5 – 20 мкм), в основном сохраняются и при схемах нагружения, характерных для реальных процессов пластического формообразования [4].
Известно, что увеличение амплитуды УЗК до 4 – 6 мкм при алмазном выглаживании способствует увеличению микротвердости и уменьшению высотных параметров шероховатости поверхности обрабатываемой заготовки. При дальнейшем увеличении амплитуды наблюдается некоторое разупрочнение поверхностного слоя, проявляющееся в уменьшении микротвердости и увеличении высотных параметров шероховатости за счет образования отслоений. Вместе с тем увеличение амплитуды колебаний свыше 4 – 6 мкм способствует увеличению сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое заготовки и глубины их залегания. В целях увеличения амплитуды УЗК без снижения упрочнения, сжимающих остаточных напряжений и глубины их залегания предложено применять УЗК, модулированные по амплитуде дополнительным синусоидальным сигналом. Как амплитудную, так и частотную модуляцию УЗК алмазного выглаживателя можно использовать для создания на поверхностях обрабатываемых заготовок регулярных микрорельефов , что в существенной степени будет способствовать повышению эксплуатационных свойств пар трения. При этом в отличие от общеизвестных методов создания регулярных микрорельефов вибрационными головками на частотах до 5 – 10 кГц, использование модулированных УЗК не сопряжено с вероятностью усиления вибраций, а наоборот сопровождается их демпфированием и осуществляется при существенно меньших усилиях ППД.
Литература
- Мышов М.С. Разработка технологического обеспечения и повышения качества абразивной обработки тонкостенных изделий на базе использования ультразвуковых явлений.
[Электронный ресурс] / Портал магистров ДонНТУ, - http://masters.donntu.ru/2008/mech/myshov/diss/index.htm
- Муханов И.И., Голубев Ю.М. Поверхностный слой стальных деталей машин после ультразвуковой чистовой и упрочняющей обработки // Металловедение и термическая обработка металлов. 1969. № 9. С. 25.
- Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Под ред. И.П. Голяминой. М.: Советская энциклопедия, 1979. 400 с.
- Нерубай М.С. Повышение эффективности механической обработки труднообрабатываемых материалов путем применения ультразвука. Автореф. дис. докт. техн. наук / КПИ, Куйбышев. 1989. 35 с.
- Лепетуха Д.Е. Совершенствование технлогического обеспечения абразивной обработки тонкостенных цилиндрических изделий.
[Электронный ресурс] / Портал магистров ДонНТУ, - http://masters.donntu.ru/2006/mech/lepetukha/index.htm
- Кардыбанский О.С. Повышение качества токарной обработки за счёт ультразвуковых воздействий.
[Электронный ресурс] / Портал магистров ДонНТУ, - http://masters.donntu.ru/2007/mech/kardybanskii/index.htm
- Суслов А. Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. - М.: Машиностроение, 1987. 208 с.
- Cмелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. - М.: Машиностроение,2002. - 300с., ил.
- Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. - М.: Машиностроение,1987. - 328с., ил.
- Проскуряков Ю.Г. Технология упрочняющей и формообразующей обработки металлов. - М.: Машиностроение, 1971.- 203с
- Михайлов А.Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий машиностроения.-Донецк:ДонНТУ,2009.-346с.
ВВЕРХ
|
