Біографія
Реферат
ДонНТУ
Портал магістрів
ДонНТУ
Магістр ДонНТУ Товарчі Ігор Сергійович

Товарчі Ігор Сергійович

Факультет інженерної механіки та машинобудування

Спеціальність: «Технологія машинобудування»

Тема випускної роботи:

«Підвищення якості і ефективності обробки виробів на базі поверхнево-пластичної деформації і ультразвукових процесів»

Науковий керівник: Михайлов Олександр Миколайович

Автореферат за темою магістерської роботи


Зміст


  Вступ
  Основні задачі
   Актуальність роботи
  Особливості обробки тонкостінних виробів
  Огляд існуючих досліджень і розробок
  Література

Вступ

Розвиток сучасного машинобудування характеризується створенням конструкцій та вузлів машин, призначених для роботи в різних умовах експлуатації. Ці задачі вирішуються відповідно до вимог економічного і соціального розвитку, які передбачають зосередження зусиль на підвищенні якості, надійності, економічності та продуктивності устаткування, зниження матеріаломісткості і енергоспоживання. Велике значення має пошук нових методів, що дозволяють забезпечити високу продуктивність, необхідну точність і якість оброблених поверхонь. У цьому плані теоретичні розробки, нові ідеї, а так само підвищення можливостей відомих методів мають особливе значення.

Більше 80% деталей машин та приладів виходять з ладу через зношення та втрати експлуатаційних якостей. Звідси випливає необхідність покращення фізико-механічних характеристик металу і геометричних параметрів робочих поверхонь деталей. Крім того, при застосуванні прогресивних технологічних процесів слід прагнути до підвищення продуктивності обробки та економії металів. Постійний розвиток техніки на сучасному етапі вимагає використання деталей, що мають тонкі стінки (з метою економії матеріалу та полегшення конструкції в цілому). В даний час їх кількість значно збільшується в загальній масі деталей, що піддаються механічній обробці. Тонкостінні вироби, забезпечуючи високу міцність і щільність компонування, знаходять широке застосування в самих різних галузях промисловості і, що особливо важливо, в областях літако-та ракетобудування, кріогенної техніки, пневмо-і гідроапаратури, двигунобудуванні, холодильних установках, космічних і військово-промислових розробках [5]. В якості остаточної обробки тонкостінних деталей застосовують головним чином процес шліфування. На цій стадії технологічного процесу остаточно формуються параметри поверхневого шару і розміри готової деталі. Однак при шліфуванні тонкостінних деталей спостерігаємо високі температури в зоні різання, в результаті чого можуть виникнути проблеми, пов'язані з прижогамі, змінами структури металу і виникненням внутрішніх напружень. Звідси випливає ще ряд проблем - підбір змащувально-охолоджуючих технологічних середовищ (ЗОТС) і визначення найбільш прийнятної схеми охолодження. Це змушує задуматися про пошук нових способів забезпечення необхідних параметрів якості.

З точки зору функціонально-орієнтованого підходу найбільш складно керувати процесом формування експлуатаційних властивостей деталей машин. Зручним інструментом для впливу на процес формування експлуатаційних характеристик при поверхнево-пластичній деформації слід вважати раціональне застосування енергії ультразвукового поля [1].

Основні задачі:

-Теоретичне дослідження факторів, що впливають на якість зміцнюючих обробки тонкостінних виробів, шляхом орієнтації технологічних впливів у зонах експлуатаційних особливостей деталей.

-Синтез технологічного забезпечення для ультразвукової зміцнюючої обробки тонкостінних виробів

-Розробка пристосування,яке підвищує жорсткість установки деталей і пристосування для обробки;

-Підбір раціональних режимів обробки тонкостінних виробів на базі використання ультразвукових явищ;

-Дослідження впливу обробки на шорсткість обробленої поверхні;

- Дослідження впливу обробки на геометричні відхилення поверхонь тонкостінних виробів;

- Розробка рекомендацій по досягненню оптимальних показників, які забезпечують найбільш економічне отримання необхідних параметрів стану поверхневого шару.

Актуальність роботи

Експлуатаційна надійність машин визначається в основному якісним станом робочих поверхонь деталей, що формуються на фінішних операціях технологічних процесів (напружено-деформований стан поверхневого шару, технологічні залишкові напруги, динаміка навантаження, фізико-механічні властивості матеріалу, макро-і мікрогеометрії, геометрична точність).

У зв'язку з цим, важливими і актуальними для технології машинобудування є вдосконалення відомих та розробка нових, науково обгрунтованих, технічно доступних і економічно доцільних технологічних процесів обробки робочих поверхонь деталей для підвищення їх експлуатаційних характеристик. Незважаючи на успіхи в цих областях ряд важливих теоретичних і практичних питань не знайшов своє відображення в фунціонально-орієнтованих технологічних процесах отримання та забезпечення необхідних параметрів якості.

Одним з перспективних методів, що дозволяють вирішити поставлені задачі, є ефективний та екологічно чистий спосіб зміцнюючих обробки деталей ультразвуком (УЗО). В основу методу покладений процес технологічного ППД, який дозволяє, варіюючи технологічними режимами обробки, отримати поверхню з необхідними фізико-механічними властивостями. У процесі обробки відбувається формування сприятливого напружено-деформованого стану матеріалу поверхневого шару в тонкостінних виробах, технологічних залишкових напружень у них, оптимальної шорсткості, що забезпечують підвищені експлуатаційні характеристики робочих поверхонь.

У зв'язку з вищевикладеним, актуальним є комплексне дослідження процесу обробки, вивчення взаємозв'язку показників динаміки навантаження поверхонь з режимами обробки, експлуатаційними характеристиками контактуючих поверхонь.

Техніко-економічна ефективність процесів обробки, заснованих на поверхневій пластичної деформації металу, забезпечується за рахунок:

- підвищення продуктивності і зниження трудомісткості виробництва заготовок і високоточної обробки деталей, тому що при цьому можуть виключатися доведення, хонінгування, термообробка та інші низькопродуктивною процеси;

- економії металу в результаті наближення конфігурації заготовки до форми деталей і обробки поверхонь деталей без зняття стружки; зниження собівартості заготовок і деталей машин і приладів;

- поліпшення якості та експлуатаційних властивостей деталей (зносостійкість, міцність, опір повзучості та ін) і вузлів;

- зменшення витрат на експлуатацію машин і приладів у результаті поліпшення якості та експлуатаційних властивостей деталей. Використання ультразвуку додатково дозволяє інтенсифікувати процес обробки.

Особливості обробки тонкостінних виробів

Наведемо класифікацію тонкостінних виробів: Рисунок 1 - Классификація тонкостінних виробів

Рисунок 1 - Классификація тонкостінних виробів

Всі тонкостінні вироби підрозділяються на два види: тіла обертання і корпуси. Корпуси діляться на оболонки і пластини. Оболонки бувають простої та складної конфігурації. Тіла обертання, у свою чергу діляться на жорсткі (співвідношення довжини отвору до його діаметра ≤ 1) та нежорсткі (співвідношення довжини отвору до його діаметра>  1). Крім того тонкостінні вироби поділяються за товщиною стінки. Тонкостінні вироби за типом внутрішніх площин бувають наскрізні й глухі, які бувають простими і ступінчастими.

У магістерській роботі,що планується буде розглядатися обробка тонкостінних виробів типу "тіла обертання".

Тонкостінні вироби можна обробляти методами пластичного деформування. Рисунок 2 - Класифікація методів поверхнево-пластичного деформування

Рисунок 2 - Класифікація методів поверхнево-пластичного деформування

До даної класифікації відносяться всі методи обробки заготовок, пов'язані з пластичним деформуванням тільки їх поверхневих шарів і практично не змінюють вихідну точність розмірів. Це накочення, Обкатування, розкачування, віброобробка, динамічне зміцнення, електромеханічна і комбінована обробка різних поверхонь деталей машин. Причому, в залежності від функціонального призначення за рахунок зміни робочого тиску обробку можна проводити на обробних, зміцнюючих і проміжних обробно-зміцнюючих режимах.

Обробна обробка здійснюється при невеликих робочому тиску p ≤1,5σт і дозволяє поліпшити несучу здатність вихідної шорсткості поверхні (збільшити відносну опорну довжину з 1-2 до 15-20%). При цьому особливо яскраво виражається технологічне наслідування.Зміцнюючу обробку проводять при р >3σт при цьому значно підвищується ступінь (U H )и глибина зміцнення.

Обробка на проміжних обробно-зміцнюючих режимах (1,5σт≤ р <3σт )дозволяє поліпшити несучу здатність параметрів шорсткості і хвилястості і підвищити вихідну поверхневу мікротвердість на невелику глибину, тобто комплексно підвищити несучу здатність поверхневого шару (зменшити комплексний параметр С x в 10-20 раз).

Найбільший вплив на якість оброблених тонкостінних циліндрів надає пристосування, що фіксує, тому вирішення проблеми закріплення таких заготовок зводиться до досліджень в області технологічного оснащення. Для обробки таких заготовок найбільш раціонально застосовувати пристосування з розподіленими силами закріплення. Такі пристосування орієнтовані на рівномірний розподіл зусиль закріплення або прагнуть до нього (множинність точок прикладення). Вважається, що рівномірно розподілені сили призводять до рівномірної деформації тонкостінної поверхні оболонкові заготовки. Однак на практиці при обробці тонкостінних циліндрів прецизійних деталей виявилися похибки форми. Це пов'язано з так званим крайовим ефектом. Найбільш помітно вплив крайового ефекту при обробці деталей з жорсткими вимогами відхилення форми оболонкові поверхні. Ці відхилення можна порівняти з величиною похибки форми. У такому випадку необхідно вдаватися до навмисної деформації поверхні циліндра [5]. Суть навмисної деформації полягає у створенні сил закріплення, розподілених за певним законом. В даний час ведуться роботи в галузі технології машинобудування, пов'язані із заданим нерівномірним розподілом сил закріплення. Але оснащення, що забезпечує будь-який заданий закон розподілу ще не набула поширення на виробництві. Явища, пов'язані з навмисними деформаціями, розглядалися в роботах Ш.М. Білика, А.М. Дальського, М.П. Новикова та інших вчених.

Досягти ефективного зміцнення при зменшенні силового впливу дозволяє використання енергії ультразвукових коливань, що істотно впливають на характер контактної взаємодії інструменту та заготовки. При ультразвуковому впливі на інструмент забезпечується істотне зменшення тертя у центрі деформації. У роботі [7] виведено рівняння для розрахунку інтенсивності зношування в період нормального зношування при постійних умовах роботи та фізико-механічних властивостях матеріалу залежно від параметрів поверхневого шару. Експериментальні дослідження [7] опору втоми, проведені на зразках зі сталі 30ХГСА (НRС 35-37), показали, що межа витривалості зразків при зменшенні їх шорсткості з Rа = 0,74 мкм до Rа = 0,22 мкм в середньому збільшується на 14%, а термін служби більше ніж у 3 рази. Застосування ультразвуку може забезпечити підвищення довговічності виробів, тому можна вважати за доцільне введення цієї операції в технологічний процес.

Огляд існуючих досліджень і розробок

Подібні теми неодноразово висвітлювалися в багатьох літературних виданнях, так спроби використання енергії ультразвукового (УЗ) поля для інтенсифікації процесів механічної обробки відомі з кінця 30-х років ХХ століття. Характерною особливістю сучасного стану фізики і техніки ультразвука є різноманіття його застосувань, що охоплюють частотний діапазон від чутного порогу до частот у кілька мегагерц і область потужностей від часток мілліватт до десятків кіловат з використанням модуляції коливань по амплітуді, частоті і фазі. Мала довжини хвилі обумовлює променевий характер поширення УЗ хвиль. Завдяки цьому починає широко застосовуватися фокусування УЗ хвиль за допомогою акустичних лінз, рефлекторів і випромінювачів ввігнутої форми. Останнє дозволяє концентрувати звукову енергію, отримуючи в середовищі високі значення інтенсивності звуку, яких на поверхні традиційних випромінювачів коливань отримати неможливо. Сучасні фокусують системи дозволяють формувати задані характеристики спрямованості ультразвукових коливань (УЗК) і керувати ними. Як відомо, вплив УЗ поля на пластичну деформацію пов'язаний, з одного боку, зі збільшенням числа дислокацій під дією знакозмінних навантажень (зміцнення металів), з іншого - зі збільшенням їх рухливості (розміцнення). Ефекти зниження тертя і збільшення пластичності широко використовуються при обробці металів поверхнево-пластичним деформуванням (ППД) з накладенням УЗК. Ударну дію з УЗ частотою наконечника інструменту, що коливається (найбільш часто - алмазного вигладжувача) на пластичні метали викликає зміцнення їх поверхневого шару, згладжування мікронерівностей поверхні. Така обробка у науково-технічній літературі іменується обробно-зміцнюючою і широко використовується з метою підвищення довговічності і надійності деталей машин, що пояснюється не тільки зменшенням висотних параметрів шорсткості і збільшенням поверхневої мікротвердості, а й створенням стискаючих залишкових напружень. При звичайній обробці ППД (без УЗК) інструмент притискають до оброблюваної заготівлі з силою Р = 500 - 5000 Н, що не дозволяє її використовувати при виготовленні тонкостінних деталей. Коливання наконечника з УЗ частотою дозволяють зменшити Р на порядок. Це обумовлено тим, що при контакті інструменту, що коливається з УЗ частотою, і оброблюваної поверхні заготовки виникає удар, при якому миттєві значення зусиль, що носять імпульсний характер, у багато разів перевершують значення статичних зусиль притиску. Характерною особливістю УЗ обробно-зміцнюючих обробки є виникнення на поверхні заготовки деформацій стиснення та зсуву,що швидко чергуються [2].
Рисунок 3 - Кінематика бробки поверхньо-пластичним деформуванням з застосуванням ультразвукових коливань (24 кБ,13 кадрів,кількість повторень - 5)

Рисунок 3 - Кінематика бробки поверхньо-пластичним деформуванням з застосуванням ультразвукових коливань (24 кБ,13 кадрів,кількість повторень - 5)

При УЗ обробно-зміцнюючій обробці використовують УЗ інструменти, що працюють з частотою 18 - 44 кГц, амплітудою 8 - 10 мкм, потужністю 0,1 - 0,6 кВт. Сила Р при цьому становить не більше 80 - 100 Н, швидкість руху інструменту уздовж оброблюваної поверхні заготовки v = 0,1 - 2,5 м / с. Найбільш доцільне застосування УЗ обробно-зміцнюючої обробки при виготовленні прецизійних деталей, які мають знижену жорсткість і при звичайних засобах зміцнення деформуються. Застосування УЗК дозволяє зменшити висоту мікронерівності у 8 - 10 разів, отримати високу поверхневу мікротвердість, створити стискаючі залишкові напруги в поверхневому шарі [3]. Одночасно відбувається перерозподіл залишкових напружень у всій деталі, знімаються залишкові зварювальні напруги і зменшується концентрація напружень біля пір, мікротріщин і т. п., що призводить до підвищення корозійно-втомної міцності. УЗ обробно-зміцнюючих обробка алмазним вигладжуванням забезпечує підвищення межі витривалості деталей з аустенітних і мартенситних сталей на 36 - 44% в порівнянні з поліруванням їх зносостійкість зростає в 1,5 рази [3]. Дослідження впливу УЗК на опір пластичної деформації і механічні властивості важкооброблюваних високолегованих, високоміцних і жароміцних сталей і сплавів (у тому числі, титанових), виконані М. С. Нерубаем [4], показали, що незалежно від складу і вихідних механічних властивостей досліджених матеріалів загальною закономірністю УЗ стиснення є значне зниження зусиль деформування, необхідних для отримання еквівалентних деформацій. Зі збільшенням амплітуди коливань ефективність впливу ультразвуку збільшується. При постійній амплітуді коливань позитивний ефект ультразвуку залежить від складу і структури досліджуваних матеріалів. Так, при ультразвуковому стисненні титанових сплавів відносне зниження зусиль деформування менше, ніж при випробуваннях в аналогічних умовах дісперсіонно-твердіючих сплавів типу ХН70ВНТЮБ, ХН75ВМФЮ [4].

Накладення ультразвуку, як встановлено М. С. Нерубаем [4], знижує опір пластичної деформації при стисненні, а сам процес характеризується більш низькими значеннями σс02 и σсθ. Вказаний ефект більшою мірою проявляється при стисненні високолегованих матеріалів, що не містять γ′-фазу. Для сплавів, що утворюють при охолодженні γ′-фазу, ефективність УЗ впливу знижується зі збільшенням вмісту останньої.

Запропоновано використовувати як критерій ефективності додаткового енергетичного впливу коефіцієнт Ке, рівний відношенню межі текучості σс02 у звичайних умовах до аналогічної характеристики при УЗ або тепловому впливі. Показано також, що основні закономірності впливу ультразвуку на опір пластичної деформації, отримані при стандартних випробуваннях (на спеціальному випробувальному стенді при нормальній і підвищеній температурі і параметрах синусоїдального УЗ поля: частоті fp = 20 – 22 кГц та амплітуді А = 5 – 20 мкм), в основному зберігаються і при схемах навантаження, характерних для реальних процесів пластичного формоутворення [4].

Відомо, що збільшення амплітуди УЗК до 4 - 6 мкм при алмазному вигладжуванні сприяє збільшенню мікротвердості і зменшення висотних параметрів шорсткості поверхні оброблюваної заготовки. При подальшому збільшенні амплітуди спостерігається деяке розміцнення поверхневого шару, що виявляється у зменшенні мікротвердості і збільшенні висотних параметрів шорсткості за рахунок утворення відшаруваннь. Разом з тим збільшення амплітуди коливань понад 4 - 6 мкм сприяє збільшенню стискаючих залишкових напруг в поверхневому шарі заготовки і глибини їх залягання. З метою збільшення амплітуди УЗК без зниження зміцнення, стискаючих залишкових напруг і глибини їх залягання запропоновано застосовувати УЗК, модульовані по амплітуді додатковим синусоїдальним сигналом. Як амплітудну, так і частотну модуляцію УЗК алмазного вигладжувача можна використовувати для створення на поверхні оброблюваних заготовок регулярних мікрорельєфів, що в істотному ступені буде сприяти підвищенню експлуатаційних властивостей пар тертя. При цьому на відміну від загальновідомих методів створення регулярних мікрорельєфу вібраційними головками на частотах до 5 - 10 кГц, використання модульованих УЗК не пов'язана з ймовірністю посилення вібрацій, а навпаки супроводжується їх демпфіруванням і здійснюється при істотно менших зусиллях ППД.

Важливе зауваження
Під час написання даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2010 р. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути одержані у автора або його керівника після вказаної дати.

Література

  1. 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
  2. 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.
  3. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Под ред. И.П. Голяминой. М.: Советская энциклопедия, 1979. 400 с.
  4. Нерубай М.С. Повышение эффективности механической обработки труднообрабатываемых материалов путем применения ультразвука. Автореф. дис. докт. техн. наук / КПИ, Куйбышев. 1989. 35 с.
  5. 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
  6. 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
  7. Суслов А. Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. - М.: Машиностроение, 1987. 208 с.
  8. Cмелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. - М.: Машиностроение,2002. - 300с., ил.
  9. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. - М.: Машиностроение,1987. - 328с., ил.
  10. Проскуряков Ю.Г. Технология упрочняющей и формообразующей обработки металлов. - М.: Машиностроение, 1971.- 203с
  11. Михайлов А.Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий машиностроения.-Донецк:ДонНТУ,2009.-346с.
ВГОРУ