Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей ультразвуковым пластическим деформированием

На современном этапе развития техники все более актуальной становится задача разработки изделий машиностроения с качественно новыми свойствами, что достигается за счет придания специфических свойств поверхности детали и благоприятных физико-механических характеристик материала ее сердцевины. Поверхность и поверхностный слой изделия испытывают контактные нагрузки, что во многом определяет эксплуатационные свойства деталей машин, такие как износои коррозионную стойкость, контактную выносливость и др. [1−4]. При этом сердцевина детали должна обеспечивать конструктивную прочность изделия в целом.

В связи с этим при конструировании и изготовлении изделий необходимо уделять внимание формированию благоприятных физико-механических характеристик материала и геометрического состояния поверхности. Для достижения заданной цели в современных технологических процессах существуют различные методы модификации поверхностного слоя. К ним относятся: химические и химико-термические, термические, механические методы, нанесение различного рода покрытий.

Анализ методов модификации поверхностного слоя [4−8] показал перспективность применения методов поверхностного пластического деформирования (ППД) в технологических процессах получения деталей машин. К преимуществам данных методов следует отнести управляемость процессом, формирование сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое, относительно низкую себестоимость обработки, малые затраты энергетических ресурсов. Отсутствие вредных факторов при обработке позволяет говорить об экологичности процессов ППД. Особенно актуально поверхностное пластическое деформирование для деталей из цветных металлов и сплавов, а также нержавеющих сталей аустенитного класса, когда термическое упрочнение невозможно.

Среди прочих методов ППД особое место занимает ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование (УЗПД). Благодаря малому статическому усилию УЗПД позволяет обрабатывать нежесткие, тонкостенные детали, а также детали из хрупких материалов. Применение различных режимов обработки позволяет варьировать в широком диапазоне такие параметры поверхностного слоя, как топография поверхности, напряженно-деформированное состояние, поверхностная твердость и др. Все эти параметры оказывают значительное влияние на эксплуатационные свойства поверхности, однако среди них следует выделить геометрическое состояние. Исследованию его влияния на большинство эксплуатационных свойств посвящено большое количество работ (4−25).

Формированием микрогеометрии поверхности при ультразвуковом пластическом деформировании занимались Муханов И. И., Исхакова Г. А., Рахимянов Х. М., Синдеев В. И., Асанов В. Б., Безнедельный А. И., Гилета В. П. и др. Благодаря этим исследованиям были получены модели формирования микрорельефа, описаны условия образования определенной формы его фрагментов, получения регулярного микрорельефа. Однако, в данных работах рассматривается проекция реальных отпечатков, имеющих объем на прилегающую плоскость, что не позволяет оценить развитость получаемого рельефа, его маслоемкость и другие характеристики. Таким образом, существующие модели требуют некоторой доработки.

Кроме того, в работах по исследованию влияния ультразвуковой обработки на геометрическое состояние поверхности встречается информация о появлении волнистости при обработке некоторых материалов. К таким материалам относятся незакаленные стали, нержавеющие стали аустенитного класса, цветные металлы и сплавы. Изучение процесса волнообразования при УЗПД указанных материалов недостаточно полно описано в литературе, что не позволяет управлять этими процессами. Таким образом, исследование процессов формирования геометрического состояния поверхностей деталей при УЗПД представляется весьма актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (20 092 011)» (Проект АВЦП 2.1.2/11 449).

Цель работы — технологическое обеспечение геометрических параметров качества поверхности деталей ультразвуковым пластическим деформированием.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выявить механизм формирования волнистости при ультразвуковом пластическом деформировании материалов различной твердости.

2. Разработать математическую модель формирования волнистости с оценкой ее геометрических параметров.

3. Экспериментально подтвердить теоретические исследования по формированию волнистости поверхности после ультразвукового пластического деформирования.

4. Установить зависимости величины суммарного объема фрагментов микрорельефа от режимных параметров обработки для оценки трехмерных характеристик топографии поверхности.

5. Разработать технологические рекомендации по применению ультразвукового пластического деформирования для обработки деталей различных классов.

6. Провести промышленную апробацию результатов исследования.

Научная новизна работы определяется следующими полученными результатами:

1. Выявлен механизм образования волнистости поверхности, заключающийся в цикличном накоплении и сбросе гребня волны пластического течения металла в направлениях скорости и подачи в условиях дробного деформирования ультразвуковым инструментом материалов различной твердости.

2.Установлен критерий формирования волнистости, представляющий собой соотношения кинематических параметров обработки (подача, скорость) с диаметром пластического отпечатка, связанным с деформационными параметрами процесса (амплитуда и частота колебаний, статическое усилие, диаметр деформирующего элемента) с учетом твердости обрабатываемого материала.

3. Разработана математическая модель формирования волнистости при УЗПД, позволяющая определить значения ее геометрических параметров, таких как число заходов винтовой линии, шаг неровностей в направлениях V и Б и угол их наклона.

4. Получены зависимости величины суммарного объема фрагментов микрорельефа от режимных параметров обработки.

Практическая значимость работы:

1. Установлены границы режимных параметров, определяющие начало формирования волнистости на обрабатываемой поверхности при ультразвуковом пластическом деформировании металлических материалов различной твердости.

2. Предложен алгоритм выбора режимных параметров УЗПД, обеспечивающих формирование требуемого геометрического и механического состояния поверхностного слоя в зависимости от исходной шероховатости, статического усилия и исходной твердости обрабатываемого материала.

3. Результаты экспериментальных и теоретических исследований внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров по направлению 150 900 «Конструкторско — технологическое обеспечение машиностроительных производств» и апробированы в технологическом процессе обработки класса деталей «Направляющая стабилизатора» на предприятии ОАО «Завод Труд», г. Новосибирск.

Личный вклад автора заключается в проведении анализа методов обработки ППД, применяемых для формирования необходимых эксплуатационных характеристик поверхностного слоя деталей машин, постановке и проведении экспериментальных исследований, обработке и анализе полученных результатов, непосредственном участии в разработке экспериментального оборудования, разработке математической модели формирования волнистости и усовершенствовании модели формирования микрорельефа поверхности при УЗПД.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается применением современного экспериментального оборудования, статистических методов оценки погрешности измерений, использованием взаимодополняющих экспериментальных и теоретических исследований, проведением математического моделирования процесса волнообразования. Сформулированные научные положения, результаты работы и выводы согласуются с общими закономерностями упругопластического контакта поверхностей, основами ультразвукового пластического деформирования и результатами исследований ведущих ученых и специалистов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Механизм и критерий формирования волнистости при ультразвуковом пластическом деформировании материалов с твердостью до НВ 5000 МПа.

2. Результаты математического моделирования формирования волнистости при ультразвуковом поверхностном пластическом деформировании.

3. Результаты экспериментальных исследований формирования волнистости при обработке материалов с различной твердостью при ультразвуковом пластическом деформировании.

4. Усовершенствование математической модели формирования микрогеометрии поверхности для оценки трехмерных характеристик получаемого микрорельефа.

5. Технологические рекомендации по использованию установленных зависимостей для обеспечения упрочняющего и чистового эффекта при обработке пластичных материалов ультразвуковым пластическим деформированием.

Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на международной конференции «ШОБТ» (г. Новосибирск, 2008 г.), III Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды» (г. Бийск, 2008 г.), на всероссийской научно-технической конференции «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2009 г.), на всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы в технологии машиностроения» (г. Новосибирск, 2009 г.), на международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (г. Бийск, 2010 г.), на Второй Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (г. Кемерово, 2011 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Высокие, критические электрои нанотехнологии» (г. Тула, 2011 г.), на научных семинарах кафедры «Технология машиностроения» Новосибирского государственного технического университета.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 15 печатных работах автора, из которых 4 работы опубликовано в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 11 — в сборниках международных и всероссийских научно-технических и научно-практических конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 104 наименований. Работа содержит 195 страниц основного текста, в том числе 92 рисунка и 13 таблиц.

Основное содержание работы. Работа состоит из пяти глав. В первой главе проведен анализ методов ППД, применяемых в качестве отделочной операции при обработке деталей машин. Показана взаимосвязь эксплуатационных характеристик поверхностного слоя с параметрами его геометрического, механического и физического состояния. Выявлены особенности формирования свойств поверхностного слоя при обработке пластичных материалов динамическими методами ППД. Сформулированы цель и задачи исследования. Во второй главе описаны методики подготовки и проведения исследований, обоснован выбор материалов и экспериментального оборудования. Разработана технологическая установка для проведения экспериментальных исследований, позволяющая реализовать резкий отвод инструмента от образца с целью изучения формирования волны накопленной деформации на поверхности деталей из пластичных материалов. В третьей главе представлены теоретические исследования влияния УЗПД на формирование микрорельефа и волнистости поверхности. Предложен критерий формирования волнистости. Разработаны математические и модели, позволяющие установить взаимосвязь режимов обработки с геометрическими параметрами формируемого рельефа поверхности. В четвертой главе описано экспериментальное исследование влияния режимных параметров УЗПД на формирование топографии поверхности, а также установлено влияние формирования волнистости на распределение микротвердости по поверхности. Подтверждены результаты теоретических исследований, описанных в предыдущем разделе. В пятой главе представлены технологические рекомендации по выбору режимных параметров ультразвукового поверхностного пластического деформирования при обработке материалов различной твердости в зависимости от исходной шероховатости, а также результаты промышленной апробации предложенных технологических решений на ОАО «Завод Труд».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Выявлен механизм формирования волнистости при УЗПД материалов с твердостью до НВ 5000 МПа, заключающийся в цикличном накоплении и сбросе гребня волны в направлениях скорости и подачи в условиях дробного деформирования ультразвуковым инструментом.

2. Установлен критерий формирования волнистости, представляющий собой соотношения кинематических параметров обработки (подача, скорость) с диаметром пластического отпечатка, связанным с деформационными параметрами процесса (амплитуда и частота колебаний, статическое усилие, диаметр деформирующего элемента) с учетом твердости обрабатываемого материала.

3. Разработана математическая модель формирования волнистости при УЗПД, позволяющая определить значения его геометрических параметров. Дано математическое описание его геометрических параметров, таких как число заходов винтовой линии, шаг волн в направлениях V и Б и угол их наклона. Проведение экспериментальных исследований подтвердило адекватность полученных зависимостей при расхождении результатов не более чем на 15%.

4. Получены зависимости величины суммарного объема фрагментов микрорельефа от режимных параметров обработки.

5. Экспериментально установлено, что УЗПД на режимах, гарантирующих формирование волнистости, приводит к неравномерности распределения упрочняющего эффекта по обработанной поверхности. При обработке материалов с твердостью НВ 2000 МПа разброс значений прироста микротвердости на вершинах волн и во впадинах наибольший и достигает 50%. При увеличении твердости обработанного материала разброс значений прироста микротвердости уменьшается и при обработке материалов с твердостью НВ 5000 МПа достигает 20−25%.

6. Предложен алгоритм выбора режимных параметров УЗПД, обеспечивающих формирование требуемого геометрического и механического состояния поверхностного слоя в зависимости от исходной шероховатости и твердости обрабатываемого материала.

7. Установлено, что УЗПД с режимными параметрами, исключающими формирование волнистости, приводит к снижению упрочняющего эффекта. Для обеспечения требуемого уровня упрочнения рекомендовано применение многопроходной обработки. Показано, что увеличение числа проходов свыше четырех нецелесообразно вследствие риска разупрочнения при достижении максимальной степени упрочнения и значительного снижения производительности обработки.