Введение к работе
Актуальность темы. Общей тенденцией развития современного производства наряду с автоматизацией и широким внедрением компьютерной техники является применение новых конструкционных материалов, обладающих разнообразными физико-химическими и механическими свойствами (высокая износостойкость; термостойкость и усталостная прочность; малый вес; способность сохранять свои свойства в различных средах, в том числе агрессивных; в условиях воздействия излучений; способность определенным образом отражать или напротив, поглощать СВЧ-излучения; оптические, биомедицинские и другие характеристики). Областями применения таких материалов являются машиностроение, ракетно-космическая, авиационная и ядерная техника, приборостроение, а также медицинская техника и производство товаров народного потребления.
С конца ХХ века в конструкциях изделий точной механики, а также автомобильных и авиационных двигателей находят широкое применение высокотвердые и относительно хрупкие материалы (композиты, керамика, ситаллы), изделия из которых характеризуются сложностью формы, высокой точностью размеров и повышенными требованиями к качеству поверхностного слоя, особенно в части количества и глубины залегания трещин. Начиная с 60-х годов прошлого века, задача обработки высокопрочных конструкционных материалов в ряде стран (СССР, Япония, Германия, ЧССР) решалась путем сообщения режущему инструменту колебаний ультразвуковой частоты. Однако наряду с определенными преимуществами по снижению сил резания и температурной напряженности не решенной остается задача снижения стойкости инструмента из-за знакопеременных нагрузок на режущие кромки при больших амплитудах колебаний. Применение малых амплитуд не приводит к заметному росту производительности.
Применение ультразвуковой размерной обработки, а также ультразвукового шлифования и доводки уже не отвечает современным требованиям, поскольку сущностью данных процессов является высокочастотное ударное воздействие инструмента по абразивным зернам, вызывающее охрупчивание поверхности и формирование развитой сетки трещин, отрицательно влияющей на эксплуатационные характеристики изделий, особенно пар трения. Таким образом, в настоящее время в области ультразвуковых технологий обработки перспективных материалов остается не решенным ряд задач, без решения которых становится затруднительным обеспечение требуемого высокого качества и конкурентоспособности перспективных изделий и разработка критических технологий федерального значения.
Вышеизложенное делает актуальным проведение исследований по совершенствованию ультразвуковой обработки и разработку технологий, инструмента и оборудования, обеспечивающих повышение качества обработки перспективных твердых и высокопрочных материалов, включая покрытия.
Цель работы: повышение эффективности и качества финишной обработки поверхностного слоя деталей машино- и приборостроения путем уменьшения размеров дефектного поверхностного слоя на основе применения ультразвуковых колебаний с амплитудой и частотой, устанавливаемыми с учетом параметров структуры.
Методика исследований, применяемые оборудование и аппаратура. Теоретические исследования выполнялись с использованием теории резания абразивным инструментом, теоретических положений механики вязкого и хрупкого разрушения, теории усталостной прочности, физики и механики ультразвука. При проведении экспериментальных исследований применялись методы планирования многофакторных экспериментов, статистической обработки результатов. Использовалась оригинальная ультразвуковая малогабаритная установка со сменными ультразвуковыми преобразователями и плавно регулируемой нагрузкой. Исследования поверхности образцов выполнялись с использованием цифрового твердомера HVS-1000, компьютерного анализатора изображений микроструктур АГПМ-6М, кругломера Talyrond и цифрового профилографа «Калибр 170623».При разработке рекомендаций по созданию рациональных конструкций ультразвуковых излучателей выполнялось компьютерное моделирование с использованием лицензионного программного продукта APM WinMachine.
Научная новизна.
Предложена и обоснована концепция разработки технологий финишной ультразвуковой обработки прецизионных деталей машино- и приборостроения из твердых хрупких и прочных материалов, основанная на выборе режимов ультразвукового воздействия в соответствии с параметрами их структуры: амплитуда колебаний выбирается по критериям разрушения структурных элементов материала и минимального дефектного слоя, частота – по критерию сохранения необходимой интенсивности ультразвука для обработки данного материала. При этом:
1. Обоснована технология ультразвуковой размерной обработки твердых и хрупких материалов с минимальными отклонениями формы и дефектным слоем на основе установленной взаимосвязи ультразвукового воздействия и размерных параметров структуры материалов.
2. Установлена взаимосвязь между параметрами амплитуды и частоты ультразвука с размерами элементов структуры материала, позволяющая вести эффективную обработку аморфных и кристаллических материалов с минимальными амплитудами колебаний для снижения размера зоны предразрушения и уменьшения величины дефектного поверхностного слоя.
3. Разработана феноменологическая модель разрушения фрагментов структуры аморфных и кристаллических материалов, а также порошков при воздействии ультразвука различных амплитудно-частотных диапазонов, позволяющая качественно обосновать эффект снижения дефектности обработанной поверхности путем снижения амплитуды колебаний при соответствующем повышении частоты ультразвукового воздействия с учетом размеров элементов структуры материала.
4. Методом конечно-элементного анализа по критериям максимального увеличения амплитуды и минимальных напряжений определены принципы конструирования ультразвуковых колебательных систем для осуществления размерной ультразвуковой обработки твердых хрупких материалов, ультразвукового измельчения агломератов твердых хрупких материалов.
Практическая ценность:
1. Разработаны высокоэффективные технологии малоамплитудной ультразвуковой обработки (размерная обработка твердых хрупких материалов, ультразвуковое измельчение агломератов твердых хрупких материалов) обеспечивающие на режимах: амплитуда в диапазоне 0,1-0,01 среднего размера элементов структуры, частота не менее 40 кГц при среднем размере абразива 3-24 величины амплитуды снижение размеров дефектов в 1,5-2,7 раза при сохранении высокой производительности.
2. Предложен и теоретически обоснован метод, а также разработан технологический процесс получения микродисперсных неметаллических порошков ультразвуковым измельчением на различных частотах воздействия. Предложенный метод позволяет получать порошки с меньшей до 3 раз разноразмерностью частиц фракции, снизить технологические затраты на измельчение агломератов гидроксиапатита на 65,6 руб./изд., а также повысить качество покрытия, полученного методом электроплазменного напыления.
3. Разработано ультразвуковое технологическое оборудование для осуществления процесса измельчения агломератов твердых хрупких материалов с целью получения микродисперсных одноразмерных порошков для последующего плазменного напыления, прессования или спекания.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
1. Метод ультразвуковой обработки твердых и прочных материалов и покрытий с амплитудами и частотами, определяемыми параметрами их структуры, позволяющий обеспечить снижение размеров дефектов при сохранении высокой производительности.
2. Модель разрушения элементов структуры аморфного и кристаллического материала или частиц порошка под действием ультразвука, позволяющая определить ожидаемое время обработки и величину дефектного поверхностного слоя.
3. Результаты экспериментальных исследований, позволившие установить необходимые амплитуды и частоты ультразвукового воздействия с характеристиками структуры конструкционных материалов и параметрами качества поверхностного слоя.
4. Технологические процессы обработки твердых хрупких материалов, а также получения микродисперсных неметаллических порошков ультразвуковым измельчением.
Апробация результатов. Основные положения работы докладывались на 6 конференциях различного уровня: Международная научная конференция «Фундаментальные исследования» (Израиль, 2011), «Шлифабразив-2011» (Волгоград, 2011), «НАНОИНЖЕНЕРИЯ» (Москва, 2009); «Совершенствование техники, технологий и управления в машиностроении» (Саратов, 2009), «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009), «Пятый Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций» (Саратов, 2010), «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010), «Научные и научно-педагогические кадры России» (Саратов, 2010), а также на заседаниях кафедр «Физическое материаловедение и технология новых материалов» в 2008-2010 гг., «Теория механизмов и детали машин» в 2010-2011 гг., «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино– и приборостроении» в 2011 г. Практические результаты работы были отмечены двумя дипломами и бронзовой медалью V Саратовского салона изобретений инноваций и инвестиций (февраль 2010 года).
Исследования в диссертационной работе выполнялись при поддержке Фонда Содействию Малых Форм предприятий в научно-технической сфере (программа У.М.Н.И.К., государственный контракт № 8761 р/ 14002 от 14 января 2009 г.).
Публикации. Основные научные положения и результаты диссертации изложены в 10 публикациях, из них 6 в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложена на 216 страницах, содержит 95 рисунков, 30 таблиц, 110 литературных источников и 3 приложения.
