Введение к работе
Актуальность темы
Технический прогресс в машиностроении во многом определяется технологией изготовления различных деталей и сборочных единиц изделий. При этом в технологическом цикле изготовления деталей доминирующая роль принадлежит механической обработке. Одним из направлений повышения эффективности механической обработки является применение вынужденных ультразвуковых колебаний. Применение ультразвука позволяет повысить производительность процесса, точность изготовления деталей, а следовательно, качество и надёжность изделий.
В настоящее время при сборке различных узлов и агрегатов машин применяются резьбовые соединения, от эксплуатационных характеристик которых зависит работоспособность всей сборочной единицы. Поэтому в ряде случаев к ответственным резьбовым деталям предъявляют повышенные требования. Особенно эффективным оказалось применение ультразвука при нарезании резьб в труднообрабатываемых и высокопрочных материалах, что позволило повысить производительность труда, стойкость резьбообразующего инструмента и изменить качественные характеристики поверхностного слоя. Вместе с тем, несмотря на широкое использование ультразвуковых колебаний при нарезании резьб, в настоящее время практически отсутствуют исследования по изучению влияния различных параметров ультразвукового воздействия, в частности направления вынужденных ультразвуковых колебаний, на формирование остаточных напряжений в резьбовых деталях, которые оказывают значительное влияние на работоспособность при эксплуатации в условиях переменных нагрузок.
В связи с изложенным тема диссертационной работы, посвящённой формированию остаточных напряжений в поверхностном слое резьбовых деталей, изготовленных из труднообрабатываемых материалов с применением вынужденных ультразвуковых колебаний, является актуальной.
Представленные в диссертационной работе исследования проводились в рамках проекта Министерства образования и науки Российской Федерации по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы» (Рег. №2.1.1/3397).
Цель работы: формирование сжимающих остаточных напряжений при нарезании резьбы в труднообрабатываемых и высокопрочных материалах с наложением ультразвуковых колебаний.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:
1. Провести теоретико-экспериментальные исследования по изучению влияния направления вынужденных ультразвуковых колебаний на шероховатость, точность и остаточные напряжения при нарезании резьбы.
2. Разработать математическую модель и на её основе методику расчёта для определения полного (трёхмерного) распределения полей остаточных напряжений во впадине резьбы.
3. Исследовать влияние остаточных напряжений, полученных при ультразвуковом резьбонарезании, на предельную амплитуду цикла (нагружения) резьбовых деталей.
4. Разработать научно обоснованные рекомендации по эффективному использованию ультразвуковых колебаний различного направления при нарезании резьбы в труднообрабатываемых и высокопрочных материалах.
Методы исследования. Реализация поставленной цели осуществлялась теоретическими и экспериментальными методами. Теоретические исследования проведены на базе фундаментальных разработок в области технологии машиностроения, теории формирования поверхностного слоя при механической обработке, механики деформируемого твёрдого тела и математического моделирования напряжённо-деформированного состояния. Экспериментальные исследования проводились с использованием специальных апробированных методик, а также с применением оригинальных ультразвуковых устройств.
Достоверность полученных результатов исследования подтверждается корректным использованием законов механики деформируемого твёрдого тела, соответствием теоретических и экспериментальных данных, а также применением статистической обработки результатов наблюдений по ГОСТ 8.207-76.
Научная новизна работы
1. На основании теоретико-экспериментальных исследований установлено влияние тангенциальных, радиальных и осевых ультразвуковых колебаний на точность, шероховатость резьбы и формирование остаточных напряжений в её впадинах у деталей из титановых сплавов ВТ3-1, ВТ9, ВТ16, нержавеющей (12Х18Н9Т) и высокопрочной (30ХГСА) сталей.
2. Разработана математическая модель для определения напряжённо-деформированного состояния поверхностного слоя во впадинах резьб, нарезанных при различных видах ультразвуковых колебаний, с целью дальнейшего прогнозирования работоспособности резьбовых деталей по предельной амплитуде цикла.
3. Установлена качественная картина и получены количественные характеристики влияния направления ультразвуковых колебаний на предельную амплитуду цикла резьбовых деталей.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. Определены оптимальные параметры процесса нарезания наружных резьб резцами и круглыми плашками с применением ультразвука и разработаны научно обоснованные рекомендации по эффективному использованию способа нарезания наружных резьб с вынужденными ультразвуковыми колебаниями.
2. Разработана специальная методика, позволяющая определить напряжённо-
деформированное состояние в поверхностном слое впадин резьбы.
3. На основании проведённых исследований разработан новый способ нарезания резьбы с применением ультразвуковых колебаний, позволяющий повысить предельную амплитуду цикла напряжений за счёт формирования во впадинах резьбы сжимающих остаточных напряжений (патент РФ № 2404031).
4. Опытно-промышленная проверка предложенного способа нарезания резьбы, проведённая на предприятии ОАО «Волгабурмаш», показала повышение ресурса работы резьбовых деталей в 1,5 раза. Результаты данной работы внедрены в научно-исследовательскую деятельность Самарского государственного технического университета, в учебный процесс и используются при проведении лабораторных работ и выполнении выпускных квалификационных работ по специальности 151002 «Металлообрабатывающие станки и комплексы».
На защиту выносятся:
-
Способ нарезания резьбы с применением ультразвуковых колебаний, позволяющий повысить работоспособность по предельной амплитуде цикла (нагружения) резьбовых деталей за счёт формирования во впадинах резьбы сжимающих остаточных напряжений.
2. Математическая модель и разработанная на её основе методика расчёта, позволяющая определить напряжённо-деформированное состояние поверхностного слоя впадин резьбы.
3. Результаты экспериментального исследования по изучению влияния направления вынужденных ультразвуковых колебаний на формирование осевых остаточных напряжений во впадине резьбы при обработке образцов из титановых сплавов ВТ3-1, ВТ9, ВТ16, нержавеющей стали 12Х18Н9Т и высокопрочной стали 30ХГСА.
4. Результаты теоретико-экспериментальных исследований напряжённо-деформированного состояния в поверхностном слое впадин резьбы.
5. Результаты исследования влияния остаточных напряжений, полученных при обработке с различными видами ультразвуковых колебаний, на предельную амплитуду цикла (нагружения) резьбовых деталей.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на 6 научно-технических конференциях, а именно: на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Высокие технологии в машиностроении» (г. Самара, Самарский гос. техн. ун-т, 2007-2008 гг.); на VI Международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (г. Брянск, Брянский гос. техн. ун-т, 2008 г.); на V Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, Самарский гос. техн. ун-т, 2008 г.); на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Машиностроительные технологии» (г. Москва, Московский гос. техн. ун-т им. Баумана, 2008 г.); на Международной научно-технической конференции «Прочность материалов и элементов конструкций» (г. Киев, Украина, Институт проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Украины, 2010 г.).
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 15 научных публикациях, из них: 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикаций материалов докторских и кандидатских диссертаций; 6 статей в сборниках научных трудов; 2 тезиса докладов в материалах научно-технических конференций; патент РФ № 2404031.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по каждой главе и общих выводов, списка использованной литературы из 114 наименований и приложений.
Материал изложен на 109 страницах, содержит 56 рисунков и 1 таблицу. Общий объём работы – 121 страница машинописного текста.
