Введение к работе
Актуальность темы. В машиностроении одним из эффективных способов повышения эксплуатационных свойств деталей машин является холодное поверхностное пластическое деформирование (ППД). При ППД улучшается микрогеометрия поверхности, повышается поверхностная твердость, в поверхностном слое образуются напряжения сжатия, в результате чего повышаются эксплуатационные свойства деталей: усталостная и контактная прочность, износостойкость, коррозионная прочность и стойкость.
Одним из эффективных и перспективных методов упрочнения посредством ППД является ударная ультразвуковая обработка (УУЗО), осуществляемая жестко закрепленным или полусвободным металлическим инструментом. По сравнению с другими способами ППД УУЗО пластически деформирует поверхностный слой импульсно с большой частотой, скоростью, интенсивностью при незначительном нагреве, обеспечивая многократное увеличение долговечности деталей и конструкций.
Необходимым условием высокоамплитудной устойчивой обработки является настройка ультразвуковой колебательной системы в резонанс. Ударный, т.е. существенно нелинейный характер взаимодействия колебательной системы с металлической заготовкой вызывает проявление ряда нелинейных эффектов, таких как смещение резонансной частоты при изменении нагрузки (силы прижима инструмента, контактной жесткости обрабатываемого материала), двузначность амплитудно-частотной характеристики, наличие неустойчивых диапазонов частот возбуждения и др. Эти явления затрудняют резонансную настройку ультразвуковой системы, приводят к потере устойчивости и срыву колебаний.
В ходе развития ультразвуковой техники получили распространение более сложные колебательные системы, состоящие из двух и более соударяющихся элементов. Применение таких систем позволяет уменьшать потери и концентрировать УЗ энергию в обрабатываемом материале, обеспечить эффективную виброизоляцию станка или ручного инструмента, проводить виброударную обработку в труднодоступных местах и др. В то же время, с введением дополнительных ударных пар увеличивается число степеней свободы, что еще более усложняет поведение колебательной системы. Поэтому динамический анализ составных колебательных систем с двумя степенями свободы, исследование их резонансных свойств с учетом ударного взаимодействия с обрабатываемым изделием является (актуальной) первостепенной задачей.
Высокая концентрация энергии ультразвука в зоне обработки в значительной мере влияет на физико-механические свойства материалов и протекание технологических процессов в ходе обработки материалов как в твердой, так и в жидкой фазе. Деформационное упрочнение металла из-за увеличения степени пластической деформации, интенсификация пропитки композита в результате уменьшения вязкости и улучшения смачиваемости связующего позволяют улучшать структуру и повышать прочностные характеристики готовых изделий наложением ультразвуковых колебаний. Поэтому важными являются вопросы совершенствования ультразвукового ударного инструмента с целью повышения эффективности его работы и достижения лучших эксплутационных показателей изделий машиностроения.
Работы, направленные на решение перечисленных проблем, являются актуальными и представляют научный и практический интерес.
Областями исследований в данной работе являются: нелинейные колебания ультразвукового ударного механизма, математическое моделирование динамики его работы, изыскание путей повышения эффективности работы ультразвукового ударного инструмента.
Автор выражает благодарность д.т.н., профессору Вагапову И.К. и д.т.н., профессору Каримову А.Х. за научные консультации по работе.
Цель работы. Разработка теоретико-экспериментальных основ работы ультразвуковых виброударных систем для повышения эффективности их применения при формировании эксплуатационных свойств металлических и композиционных материалов изделий машиностроения.
Задачи исследований:
1. Разработать математическую модель работы виброударной ультра-звуковой технологической системы с двумя степенями свободы с одним активным и одним пассивным вибраторами-интрументами, учитывающую нелинейность технологической нагрузки при деформировании металла.
2. Разработать математическую модель динамики работы виброударного ультразвукового инструмента с промежуточным бойком и учетом процесса поверхностного пластического деформирования металла.
3. Разработать комплексные программы расчета математических моделей виброударных ультразвуковых технологических систем.
4. Провести экспериментальные исследования рассматриваемых вибро-ударных ультразвуковых технологических систем с целью проверки и уточнения математических моделей и оптимизации параметров режима их работы.
5. Разработать метод мониторинга работы виброударной ультразвуковой системы с промежуточным бойком с целью управления интенсивностью ультразвукового воздействия на материал.
6. Рассмотреть применения виброударных ультразвуковых технологи-ческих систем для повышения эксплуатационных характеристик изделий машиностроения из металлических и композиционных материалов.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель работы виброударной ультразвуковой технологической системы с двумя степенями свободы с одним активным и одним пассивным вибраторами-интрументами, учитывающая нелинейность технологической нагрузки при деформировании металла.
2. Математическая модель динамики работы виброударного ультразву-кового инструмента с промежуточным бойком и учетом процесса поверхностного пластического деформирования металла.
3. Комплексные программы расчета математических моделей вибро-ударных ультразвуковых технологических систем.
4. Результаты экспериментальных исследований рассматриваемых виб-роударных ультразвуковых технологических систем.
5. Метод мониторинга работы виброударной ультразвуковой системы с промежуточным бойком.
6. Результаты применения виброударных ультразвуковых техноло-гических систем для повышения эксплуатационных характеристик изделий машиностроения из металлических и композиционных материалов.
Достоверность и обоснованность результатов исследований, научных выводов и рекомендаций подтверждается:
применением современных точных приборов, аппаратуры, тарировочных методик;
хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных результатов;
положительными результатами лабораторных испытаний и производственного внедрения.
Научная новизна результатов исследований.
1. Математические модели работы виброударных ультразвуковых технологических систем с одним активным и одним пассивным вибраторами, а также с промежуточными бойками учитывают нелинейность технологической нагрузки и процесс пластического деформирования металла, что позволило повысить точность расчетов оптимальных параметров систем.
2. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что толщиной продеформированного слоя металла можно управлять в процессе работы ультразвукового механизма путем измерения динамического увода.
3. Применение в математических моделях метода гармонической линеаризации позволило выявить резонансные свойства виброударных ультразвуковых систем, а использование метода припасовывания – рассчитать ударные напряжения в деформируемом металле.
4. Разработана новая подтвержденная патентом конструкция виброудар-ного многобойкового ультразвукового инструмента.
5. Разработан метод мониторинга работы виброударной системы по интенсивности ультразвукового воздействия на обрабатываемый материал.
6. Получено в технологических применениях виброударных ультразвуковых систем:
а) ультразвуковая виброковка сталей аустенитного класса может обеспечивать одновременное формообразование и упрочнение до твердости мартенситных сталей после закалки;
б) при снятии сварочных напряжений время ультразвукового воздействия имеет пороговое значение;
в) возможно одновременное повышение коррозионной стойкости и прочности трубной стали;
г) ультразвуковая обработка связующих композиций повышает прочность композиционных полимерных материалов, покрытий и клеевых соединений.
Практическая значимость результатов исследований:
Разработанные математические модели позволяют определять оптимальные режимы работы ультразвукового виброударного механизма и параметры режима обработки, обеспечивающие наибольшую эффективность его применения.
Полученные резонансные зависимости вибратора позволяют установить наиболее интенсивные и устойчивые режимы ППД.
Новая конструкция виброударного ультразвукового механизма с промежуточными бойками обеспечивает повышение эффективности его работы.
Разработанный метод мониторинга работы виброударной ультразвуковой технологической системы позволяет управлять процессом ультразвукового воздействия на материал.
Показаны области эффективного применения виброударных ультразвуковых систем для формирования эксплуатационных свойств металлических и композиционных материалов изделий машиностроения. Получен экономический эффект от внедрения результатов в объеме 1,2 млн. рублей.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований применены в ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение», ОАО «Казанский вертолетный завод», ООО «Менделеевсказот» г. Менделеевск, ОАО «Производственное объединение ЕлАЗ» г. Елабуга, ЗАО «МЕЛИТА-К» г. Казань, ОАО «СеверНИПИгаз» г. Северодвинск.
В ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение» технология УУЗО и оборудование внедрены для релаксационно-упрочняющей обработки сварных соединений при изготовлении корпусных деталей и узлов газотурбинных двигателей и крупногабаритных сварных конструкций.
В ОАО «Казанский вертолетный завод» результаты исследований приняты к использованию в технологических процессах изготовления лонжерона и торсиона лопасти несущего винта вертолета.
В ООО «Менделеевсказот» оборудование и технологический процесс УУЗО использованы для уменьшения остаточных сварочных напряжений сварных швов при врезке штуцеров в шаровой резервуар газгольдера.
В ОАО «Производственное объединение ЕлАЗ» внедрены разработанные оборудование и технологический процесс УУЗО сварных швов барабана лебедки подъемных агрегатов для ремонта скважин.
В ЗАО «МЕЛИТА-К» результаты исследований использованы в целях оптимизации и совершенствования технологии и оборудования для заточки лезвий методом ультразвуковой виброковки при изготовлении режущего инструмента медицинского и технического назначения.
Предприятием «СеверНИПИгаз» проводились полигонные испытания оборудования и технологии УУЗО при ремонте участков газопровода с коррозионными дефектами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях (НТК): Международной НТК «Современные проблемы машиностроения», г. Гомель, ГПИ, 1999; Международной НТК «Использование ультразвуковой обработки для снижения остаточных напряжений в сварных швах», г. Севастополь, 2004; Международной НТК «Машиностроение и техносфера», г. Севастополь, 2005; Международной НТК «Машиностроение и техносфера ХХI века», г. Севастополь, 2007; Всероссийской НТК «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения», г. Орел, 2003; Всероссийской НТК «Технологическое обеспечение создания и развития воздушно-транспортных средств. Экраноплан–94», г. Казань, 1997; Всероссийской НТК «Тепловые двигатели в ХХI веке», г. Казань, 1999; Всероссийской НТК «Физикохимия процессов переработки полимеров», г. Иваново, 2002; Международной научно-практической конференции «Машиностроение техносфера ХХI века», г. Севастополь, 2008; Всероссийской НТК «Нелинейные колебания механических систем», г. Нижний Новгород, 2008 и др.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в одной монографии, 17 научных статьях (10 статей из перечня ВАК), 12 тезисах докладов, 6 патентах на изобретения, 2 учебных пособиях, 2 зарегистрированных в реестре программах расчета.
Вклад автора в проведенное исследование заключается в проработке состояния вопроса, постановке цели и задач исследований, разработке математических моделей и расчетных программ, постановке экспериментальных исследований, организации внедрения, в ведущем участии в проведении экспериментальных исследований, расчетов, внедрении результатов исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы из 318 наименований, приложений и содержит 330 страниц, 77 рисунков, 30 таблиц, 3 приложения.
