Введение к работе
Актуальность темы. Известно, что остаточные напряжения, возникающие вследствие неравномерных температурных деформаций металла сварного шва и зоны термического влияния в процессе сварки, существенно влияют на прочностные характеристики сварных конструкций. Высокий уровень послесварочных остаточных напряжений, может стать причиной разрушения деталей и узлов еще при изготовлении или в первые часы эксплуатации при достаточно низком уровне эксплуатационных нагрузок. Таким образом, задача снижения остаточных напряжений в зоне их повышенной концентрации является чрезвычайно важной для повышения надежности и долговечности изделий современного машиностроения, обеспечения технологичности и снижения металлоемкости производства.
Применение традиционных методов снижения технологических остаточных напряжений - естественного старения и термообработки деталей связано со значительными временными и энергетическими затратами, и имеет определенные ограничения, обусловленные габаритными размерами обрабатываемого изделия. Эффективным деформационным (нетермическим) способом воздействия на поле послесварочных остаточных напряжений в сварных конструкциях является ультразвуковая ударная обработка поверхностным пластическим деформированием многобойковым инструментом. Сущность заключается в создании в поверхности сварного шва и околошовной зоны металла упрочненного поверхностного слоя с формированием благоприятного для прочности сварной конструкции поля сжимающих остаточных напряжений.
Технологический эффект упрочнения поверхностного слоя достигается при ударном режиме обработки, который характеризуется дискретным воздействием деформирующего инструмента на обрабатываемую поверхность с изменяющимся усилием деформации от нуля до максимального значения, превышающего предел текучести обрабатываемого материала. Вместе с тем, реализация импульсного (ударного) режима деформирования возможна только при условии возбуждения и стабилизации в нагруженной колебательной системе резонансных колебаний. Высокие амплитуды колебаний и значительные статические нагрузки на инструмент являются причиной чрезвычайной чувствительности резонансного ударного режима к изменениям технологических параметров обработки, которые в результате проявления различных нелинейных эффектов, могут привести к потере устойчивости, срыву резонансных колебаний и переходу системы в безударный режим взаимодействия, когда пластическое деформирование металла практически отсутствует.
Сложность и неоднозначность поведения ультразвуковой колебательной системы в наиболее производительных, резонансных режимах обработки диктует необходимость создания теоретической модели процесса на основе совместного рассмотрения динамики колебаний и ударного нагружения пластически деформируемого материала. Учитывая взаимосвязь вибрационных и деформационных процессов, такой подход позволяет с одной стороны, изучать технологические параметры обработки в зависимости от конструктивных и динамических особенностей технических средств реализации процесса, а с другой, осуществлять оценку влияния технологических факторов ультразвукового пластического деформирования на характеристики качества поверхностного слоя с определением степени деформационного упрочнения и поля остаточных напряжений создаваемых в обрабатываемом материале.
Цель диссертационной работы: Разработка математической модели ультразвуковой ударной обработки для определения эффективных, устойчивых режимов поверхностного пластического деформирования металла сварного шва и околошовной зоны, обеспечивающих формирование упрочненного поверхностного слоя с остаточными напряжениями сжатия.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
1. Построение математической модели процесса ультразвуковой ударной обработки поверхностным пластическим деформированием, позволяющей исследовать резонансные режимы колебаний и рассчитывать силовые параметры ударного воздействия на материал с учетом конструктивных особенностей инструмента, динамических и технологических параметров обработки.
2. Экспериментальное исследование процесса ударной обработки ультразвуковым инструментом с промежуточным бойком с оценкой влияния технологических параметров нагружения на динамические и силовые параметры ударного воздействия.
3. Исследование влияния технологических параметров ультразвуковой ударной обработки на качество поверхностного слоя с определением оптимальных, резонансных режимов, обеспечивающих упрочнение материала и формирование поля остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое сварного шва и околошовной зоны сварной конструкции.
4. Разработка метода измерения силы периодических высокочастотных ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности для оценки соответствия величины реализуемых технологических параметров нагружения заданным параметрам режима обработки.
Методы исследований. В работе использован комплексный подход, включающий теоретические и экспериментальные исследования. Теоретические исследования проведены на основе теории виброударных систем, теории нелинейных колебаний, механики твердого тела с использованием модели ударного нагружения обрабатываемого материала в очаге деформации и динамики ультразвуковой ударной обработки. Расчеты, обработку результатов и графические построения выполняли на ПЭВМ с использованием программных средств MATCAD 12, PC-lab2000. В экспериментальных исследованиях применялась современная измерительная и регистрирующая аппаратура.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- установлено, что в процессе ультразвуковой ударной обработки поверхностным пластическим деформированием существование и устойчивость реализуемых ударных режимов обработки, а также сила ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности, определяются амплитудой колебаний ультразвукового преобразователя и силой статической нагрузки на инструмент .
- установлено, что наблюдаемое периодическое нарастание силы ударов при постоянной статической нагрузке на инструмент , является результатом выхода колебательной системы на неустойчивые, предельные режимы обработки с максимальной ударной скоростью деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности.
- периодичность циклов нарастания и спада силы ударов при постоянных параметрах нагружения (, ) определяется не только конструктивными параметрами инструмента и частотой ультразвука, но, также, зависит от интенсивности собственных высокочастотных колебаний обрабатываемого изделия, создающих условия для жесткого возбуждения неустойчивого предельного ударного режима.
- впервые при математическом моделировании процесса ультразвуковой ударной обработки с использованием метода припасовывания решений, описывающих смежные интервалы движений, разделенные моментом удара, учитывается длительность удара деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности, определяемая экспериментальным путем. Такой подход позволяет совместно рассмотреть динамику колебаний и ударное нагружение пластически деформируемого материала и оценить влияние силовых параметров ударного воздействия, как на резонансные свойства колебательной системы, так и на деформационное упрочнение и поле остаточных напряжений, создаваемых в поверхностном слое изделия.
Практическая ценность (и внедрение) результатов работы:
- полученные аналитические выражения, описывающие ударные режимы взаимодействия элементов колебательной системы позволяют определять оптимальные технологические параметры нагружения, с учетом конструктивных и динамических особенностей ультразвукового инструмента и свойств обрабатываемого материала, а также осуществлять расчетную оценку силы ударов и величины ударных напряжений в локальной области контакта деформирующего инструмента с обрабатываемой поверхностью.
- установленные закономерности влияния технологических параметров ультразвуковой ударной обработки на характеристики качества поверхностного слоя сварного шва и околошовной зоны, позволяют назначать рациональные режимы ультразвуковой ударной обработки поверхностным пластическим деформированием, при которых достигается технологический эффект упрочнения материала с формированием в поверхностном слое благоприятных для прочности сварной конструкции остаточных напряжений сжатия.
- разработан метод (и его аппаратное обеспечение) измерения силы периодических высокочастотных ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности, позволяющий оценивать соответствие фактической нагрузки на инструмент , прикладываемой мускульным усилием оператора при «ручном» способе реализации процесса обработки, заданному диапазону величины нагружения. Новизна технических решений, реализованных при разработке метода подтверждена патентом на полезную модель.
Результаты исследований и разработок использованы и внедрены в производство:
- в ОАО «Производственное объединение ЕлАЗ» для ультразвуковой ударной обработки сварных швов барабана лебедки подъемных агрегатов УПРС-60, грузоподъемностью 60 тонн, применяемых при ремонте скважин.
- в «Центре неразрушающего Контроля и Диагностики» КГТУ им. А. Н. Туполева для снижения остаточных сварочных напряжений после ремонта крупногабаритного шарового резервуара (емкостью 2000 куб. м., диаметром 16 м) для хранения жидкого аммиака под давлением на ООО «Менделеевсказот»;
- в ОАО «Казанское моторостроительное ПО» для ультразвуковой ударной обработки сварных швов корпусных деталей и узлов газотурбинных двигателей и крупногабаритных сварных конструкций газоперекачивающих агрегатов.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель процесса ультразвуковой ударной обработки поверхностным пластическим деформированием, построенная с использованием метода припасовывания решений, описывающих смежные интервалы движений, разделенные моментом удара.
2. Закономерности влияния технологических параметров нагружения в процессе ультразвуковой ударной обработки на резонансные свойства ударных колебаний и силовые параметры ударного воздействия.
3. Закономерности влияния технологических режимов ультразвуковой ударной обработки на упрочнение поверхностного слоя сварного шва и околошовной зоны и остаточную напряженность сварной конструкции.
4. Метод измерения силы периодических высокочастотных ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности в процессе ультразвуковой ударной обработки поверхностным пластическим деформированием.
Апробация результатов работы.
Основные результаты докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции “Проблемы создания перспективных авиационных двигателей», (г. Москва, ЦИАМ) в 2005 году, на Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-07» (г. Казань, КГТУ им. А. Н. Туполева) в 2007 году и на V Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-09» (г. Казань, КГТУ им. А. Н. Туполева) в 2009 году, на XVI Симпозиуме «Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем «DYVIS-2009» (г. Звенигород) в 2009 году.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 статьи (в изданиях, рекомендованных ВАК), 5 тезисов докладов и патент на полезную модель.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 114 наименований и Приложений на 11 страницах. Работа содержит 147 страниц машинописного текста, включая 30 иллюстраций, 6 таблиц и Приложения.
