Повышение качества поверхностного слоя изделий из титанового сплава методом ультразвуковой обработки Харченко, Владислав Викторович

Введение к работе

Актуальность темы

Повышение качества поверхностного слоя и эксплуатационных свойств деталей машин является актуальной проблемой технологии машиностроения, решение которой требует опережающего подхода в условиях быстрого технического развития и рыночной экономики, породившей острую конкуренцию среди производителей.

В процессе эксплуатации поверхность изделий, в том числе в летательных аппаратах, подвергается интенсивному износу и именно с неё в большинстве случаев начинается потеря служебного назначения по одному из эксплуатационных свойств - усталостная трещина, абразивный износ, коррозия и др.

При решении указанной проблемы в промышленности на завершающей стадии техпроцесса изготовления деталей применяют различные финишные методы технологического обеспечения качества поверхностного слоя - абразивную отделку, термическую закалку, нанесение покрытий, поверхностное легирование и пластическое деформирование. Для достижения максимального эффекта используют комбинированные методы обработки.

Преимущество технологии поверхностно-пластического деформирования (ППД) заключается в том, что благодаря пластическому течению металла деформированные выступы заполняют впадины профиля, увеличивая опорную длину и несущую способность поверхности. Радиус закругления вершин неровностей по сравнению с другими методами обработки имеет максимальное значение, что существенно сокращает период приработки и износ сопрягаемых поверхностей. Макроотклонения не исправляются ввиду упругого контакта инструмента и заготовки, а объём детали не изменяется. В результате деформации происходит формирование упрочнённого слоя с равномерным градиентом спада микротвёрдости, остаточных сжимающих напряжений и глубины наклёпа.

Изучению технологии ППД в отечественной науке в период 60-80-х годов ХХ века было посвящено большое количество работ. Значительных успехов в данной области достигли В.М. Браславский, И.В. Кудрявцев, А.И. Марков, И.И. Муханов, Л.Г. Одинцов, Д.Д. Папшев, В.В. Петросов, О.А. Розенберг, В.М. Смелянский, А.Г. Суслов, В.М. Торбило, Л.А. Хворостухин, Ю.В. Холопов, П.А. Чепа, Ю.Г. Шнейдер и др.

Ультразвуковая обработка (УЗО) представляет собой прогрессивную технологию финишной отделочно-упрочняющей обработки металлов давлением, позволяя заменить классические статические методы ППД по схемам качения и скольжения - накатывание и выглаживание. Отличительной особенностью УЗО является малая температура нагрева, низкое статическое усилие и высокая скорость деформирования, благодаря чему данная технология позволяет обрабатывать как детали, обладающие невысокой конструктивной жёсткостью, так и поверхности, подвергнутые закалке и отпуску. В результате воздействия ультразвуковых колебаний значительно снижается сопротивление металла пластической деформации.

В последние годы появилось большое количество работ, посвящённых изучению технологии УЗО, которые были направлены на совершенствование процесса обработки с целью технологического обеспечения качества поверхности и эксплуатационных свойств деталей машин. Среди них работы Ю.М. Боровина, Ким Чанг Сика, Н.П. Коломееца, Ю.В. Никитина, З.В. Степчевой и ряда других авторов. Однако одним из недостатков указанных работ является отсутствие внимания вопросам повышения качества поверхностного слоя изделий из титановых сплавов, нашедших широкое применение в авиационной и космической отраслях промышленности. В частности, в Российской самолётостроительной корпорации «МиГ» существуют проблемы улучшения коррозионной стойкости и износостойкости поверхности ряда деталей, а также снижения их массы. Разработка технологии с использованием современных материалов, которая позволяет улучшить топографию поверхности, управлять её микротвёрдостью, остаточными напряжениями и глубиной наклёпа для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств изделий, является актуальной задачей.

Актуальность настоящей работы подтверждается также тем, что научные исследования по данной тематике проводились в рамках Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» Министерства образования и науки Российской Федерации (темы РНП 6322 и 2.1.2/11022). Данному научному направлению и коллективу кафедры «Технология и металлорежущие системы автомобилестроения» Московского государственного индустриального университета в 2008 году указом Президента был присвоен статус ведущей научной школы России.

Цель работы

Целью настоящей диссертационной работы является повышение качества поверхностного слоя рабочего штока 5.12.5301.1006.98, изготавливаемого в ОАО «Российская самолётостроительная корпорация «МиГ», методом ультразвукового поверхностно-пластического деформирования для обеспечения требуемой коррозионной стойкости и износостойкости.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Усовершенствовать математическую модель контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью и получить аналитические уравнения для расчёта силовых и кинематических параметров технологического процесса УЗО;

2. Провести экспериментальные исследования влияния различных технологических режимов обработки на состояние поверхностного слоя деталей из титанового сплава и проанализировать взаимную совместимость получаемых геометрических и физико- механических характеристик поверхности после УЗО;

3. Получить систему регрессионных уравнений, устанавливающих связь между параметрами обработки и геометрическими характеристиками поверхности, которые позволяют технологически управлять качеством выпускаемых изделий;

4. Разработать практические рекомендации по оптимизации технологии УЗО и её внедрению в опытный технологический процесс производства штока 5.12.5301.1006.98 в ОАО «Российская самолётостроительная корпорация «МиГ».

Объект исследования

Объектом проведения исследований является качество поверхностного слоя штока летательного аппарата 5.12.5301.1006.98, работающего в условиях трения с возможным попаданием на поверхность абразивных частиц при перепаде температур от -50С до +50С, который изготавливается в ОАО «Российская самолётостроительная корпорация «МиГ».

Предмет исследования

Предметом исследований является теоретическое и экспериментальное изучение технологии ультразвуковой обработки изделий из титанового сплава ВТ6, закономерностей изменения геометрических и физико-механических характеристик поверхностного слоя деталей, а также анализ их взаимной совместимости при различных технологических режимах УЗО.

Методы исследования

При постановке модельного эксперимента использовалась заготовка из титанового деформируемого сплава марки ВТ6, полученная путём отливки и подвергнутая горячей обработке давлением с последующим отжигом в верхнем температурном интервале (а+Р)-области.

Предварительная чистовая лезвийная обработка перед операцией УЗО производилась на вертикально-фрезерном трёхкоординатном станке AGIE Mikron VCE-600 (Швейцария) твёрдосплавным инструментом Sandvik (Швеция), а формирование заготовок для микрошлифов осуществлялось на электроэрозионном вырезном станке AGIE Classic V2 (Швейцария).

Ультразвуковая обработка проводилась с помощью генератора ИЛ10 - 0.63 (Россия), соединённого с колебательной системой, состоящей из магнитострикционного преобразователя, волновода-концентратора и акустической головки с впаянным твёрдосплавным индентором.

Обработка результатов эксперимента осуществлялась в лабораториях Московского государственного индустриального университета (ФГБОУ ВПО «МГИУ»), Московского авиационно-технологического института (ФГБОУ ВПО «МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского») и Московского института стали и сплавов (ФГАОУ ВПО «НИТУ МИСиС») на следующем оборудовании: цифровой профилометр Hommel Tester T8000-RC120-400 (Германия), универсальный цифровой твердомер Affri 251 VRSD (Италия), цифровой микротвердомер Affri DM8 (Италия), автоматический многофункциональный рентгеновский дифрактометр общего назначения ДРОН-7 (Россия), металлографический инвертированный оптический микроскоп Carl Zeiss Axio Observer.Alm (Германия), просвечивающий электронный микроскоп JEOL JEM-2100 (Япония).

Достоверность результатов

Результаты работы получены с использованием современного математического аппарата, вычислительных средств, достижений в области трибологии, материаловедения и технологии машиностроения, а также автоматизированного аналитического и метрологического оборудования, что подтверждает их объективность и достоверность.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту

4. 1. Аналитические уравнения для расчёта давления в зоне контакта инструмента и заготовки, стойкости индентора, энергии деформирования шероховатости, степени перекрытия отпечатков от действия индентора и высоты выступов профиля обработанной поверхности с учётом степени перекрытия отпечатков, устанавливающие связь указанных величин с технологическими параметрами режима УЗО.

   2. Система регрессионных уравнений для технологического управления качеством поверхностного слоя обрабатываемых изделий из титанового сплава ВТ6, устанавливающая связь режимов обработки с параметрами шероховатости профиля после УЗО.

   3) Исследование взаимной совместимости геометрических (высотные и шаговые параметры шероховатости) и физико-механических (микротвёрдость, остаточные макронапряжения, глубина наклёпа, плотность дислокаций) характеристик поверхностного слоя деталей после УЗО.

   Практическая ценность

   4. 2. 1. Разработан технологический процесс финишной ультразвуковой обработки поверхности штока 5.12.5301.1006.98 из титанового сплава ВТ6, изготавливаемого в ОАО «Российская самолётостроительная корпорация «МиГ».

         2. Разработан алгоритм оптимизации указанного технологического процесса с использованием полученных аналитических и регрессионных уравнений и выявленных эмпирических закономерностей.

         Реализация результатов работы

         Результаты диссертационной работы внедрены в опытный технологический процесс производства рабочего штока летательного аппарата 5.12.5301.1006.98 в ОАО «Российская самолётостроительная корпорация «МиГ».

         Апробация работы

         Результаты работы доложены и обсуждены на трёх научно-практических конференциях:

         университетская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Молодая наука АФ - 2011» (Москва, МГИУ, 12-28 апреля 2011 г.);

         II Международная научно-практическая конференция «Итоги и перспективы интегрированной системы образования в высшей школе России: образование - наука - инновационная деятельность» в секции «Современные проблемы производства: прогрессивные технологии и материалы» (Москва, 26-28 октября 2011 г.);

         14-я Международная научно-практическая конференция «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» в секции «Технологии упрочнения и восстановления физико-механических свойств поверхности» (Санкт-Петербург, 17-20 апреля 2012 г.).

         Публикации

         Результаты научных исследований опубликованы в 10 печатных работах, включая 2 статьи в сборниках международных научно-практических конференций и 4 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

         Структура и объём работы

         Настоящая работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы (150 наименований), приложений и содержит 250 страниц машинописного текста, в том числе 61 рисунок и 40 таблиц.

         Похожие диссертации на Повышение качества поверхностного слоя изделий из титанового сплава методом ультразвуковой обработки

         

         Повышение производительности и качества обработки тел вращения из титановых сплавов методом высокоскоростного фрезерования и фрезоточенияСеливанов, Александр Николаевич

         

         Повышение точности и качества поверхностного слоя изделий локальной магнитно-импульсной обработкойПечагин, Александр Петрович

         

         Повышение стойкости режущего инструмента методом электроизоляции при обработке титановых сплавовМедисон Виталий Викторович

         Повышение работоспособности металлорежущего инструмента из твердых сплавов методом импульсной лазерной обработкиПинахин, Игорь Александрович

         

         Повышение качества поверхностного слоя сварных швов на основе совершенствования ультразвуковой ударной обработкиШинкарев, Артем Сергеевич

         Разработка методов повышения эффективности механической обработки путем наложения модулированных ультразвуковых колебаний на смазочно-охлаждающую жидкость и инструментКовальногов, Владислав Николаевич

         

         Повышение работоспособности лезвийного инструмента при обработке деталей, восстановленных и упрочнённых методами электроконтактных технологийКартамышев, Андрей Юрьевич

         Повышение качества обработки за счет разработки и применения сверлильно-фрезерных патроновХасан Аль-Дабас

         

         Повышение качества обработки колец подшипников на основе идентификации динамической системы шлифовального станка по автокорреляционным функциям виброакустических колебанийКаракозова, Вера Алексеевна

         Повышение качества обработки за счёт улучшения конструктивно-технологических параметров резцовБелов, Павел Сергеевич