Введение к работе
Актуальность темы. Одной из проблем современного машиностроения является повышение надежности ответственных деталей машин, которая в значительной мере определяется их эксплуатационными свойствами и качеством поверхностного слоя.
В связи с повышением требований к качеству таких деталей все более широкие перспективы применения на завершающей стадии технологического процесса изготовления приобретает операция алмазного выглаживания.
Этот способ обработки обеспечивает благоприятное с позиции эксплуатационных свойств сочетание параметров шероховатости, микрорельефа поверхностного слоя, микротвердости, величины и характера распределения технологических остаточных напряжений при изготовлении широкого круга ответственных деталей, таких как штоки, валы, оси и др., изготовляемых, как правило, из высокопрочных сталей и работающих в условиях высоких скоростей, повышенного износа и циклических знакопеременных нагрузок.
Однако необходимость создания значительных контактных усилий для достижения деформационного упрочнения ограничивает применение алмазного выглаживания для изготовления нежестких и прецизионных деталей. Поэтому важным критерием эффективности алмазного выглаживания является минимизация усилия, прикладываемого к инструменту, для обеспечения требуемого упрочнения поверхностного слоя.
Достичь эффективного упрочнения при уменьшении силового воздействия позволяет использование при алмазном выглаживании энергии ультразвуковых колебаний (УЗК), оказывающих существенное влияние на характер контактного взаимодействия инструмента и заготовки. Введение энергии ультразвукового (УЗ) поля в зону обработки, и особенно, модулированного, способствует доминированию деформационного упрочнения и одновременно снижению разупрочнения в процессе алмазного выглаживания. При использовании рациональных схем УЗ-воздействия на инструмент обеспечивается существенное уменьшение трения и увеличение пластичности в очаге деформирования, в том числе за счет повышения эффективности используемых смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС).
Известные работы по изучению технологических возможностей использования ультразвука при алмазном выглаживании ведутся по двум направлениям: исследование механизма упрочнения (возможности повышения глубины и степени упрочнения) при УЗ-воздействии и исследование процесса формирования регулярного микрорельефа (РМР) на обрабатываемой поверхности. При этом в первом случае не используется потенциал УЗК по формированию РМР, а во втором случае деформирование осуществляется на мягких силовых режимах, и не используется потенциал УЗК по упрочнению.
В качестве гипотезы, позволяющей разработать комплексную технологию упрочнения с одновременным формированием РМР, в настоящей работе выдвинута идея о том, что применение модуляции УЗК, повышающей энергетическое воздействие ультразвука на поверхностный слой обрабатываемой
заготовки, способствует увеличению глубины и степени упрочнения поверхностного слоя и позволяет формировать РМР, а управление параметрами модуляции позволит регламентировать технологический процесс обработки и получить заданные параметры поверхностного слоя.
Перечисленные вопросы, на наш взгляд, недостаточно исследованы. Практически не существует рекомендаций как по рациональному применению модулированных ультразвуковых колебаний (МУЗК) при алмазном выглаживании, так и по расчету режимов такой обработки для формирования заданной величины упрочнения, не использован потенциал МУЗК по созданию регулярных микрорельефов обработанных поверхностей.
Решение данной задачи возможно на основе выявленных физических закономерностей процесса упрочнения поверхностного слоя в условиях ультразвукового контактного взаимодействия с позиции современной механики упрочнения деталей методами поверхностного пластического деформирования (ППД), основанной на учете накопленных значений деформации поверхностного слоя, определяющих, в свою очередь, упрочнение поверхностного слоя, степень исчерпания ресурса его пластичности и технологические остаточные напряжения. Такой подход обусловливает удобство дальнейшего использования результатов настоящих исследований при решении задач оценки состояния поверхностного слоя на стадии эксплуатационного нагружения.
Учитывая тенденции использования прецизионных ответственных деталей в современной технике и необходимость обеспечения их надежности в процессе эксплуатации на высокоскоростных режимах и при динамических нагрузках, данная работа, направленная на повышение технологической эффективности операции УЗ-выглаживания путем использования энергии модулированного УЗ-поля, отвечает запросам производства, что и обусловливает ее актуальность.
Цель работы. Разработка высокоэффективной технологии алмазного выглаживания заготовок на основе рационального использования энергии модулированного УЗ-поля для повышения производительности обработки и качества изготовляемых деталей.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
Проведен анализ физических закономерностей формирования поверхностного слоя заготовок при УЗ-воздействии алмазным выглаживающим инструментом и определены пути повышения производительности обработки и качества деталей.
Разработана математическая модель процесса упрочнения поверхностного слоя при алмазном УЗ-выглаживании, на основе которой оценено влияние параметров и схем наложения УЗ-колебаний выглаживающего инструмента на показатели качества упрочнения деталей.
Выполнена проверка адекватности математической модели процесса упрочнения поверхностного слоя.
Выявлены возможности использования энергии УЗ-поля для формирования РМР на обработанных поверхностях деталей в процессе алмазного
выглаживания. Определены условия формирования РМР в виде сетки чередующихся лунок, синусоидальных и винтовых канавок на поверхностях обрабатываемых заготовок.
Выполнена опытно-промышленная апробация новых упрочняющих технологий в производственных условиях.
Осуществлена оценка экономической эффективности внедрения новых технологий алмазного УЗ-выглаживания.
Автор защищает: 1. Математическую модель процесса упрочнения поверхностного слоя, устанавливающую взаимосвязь между параметрами УЗ-воздействия, схемами его наложения, элементами режима выглаживания и показателями качества упрочненных деталей.
Результаты аналитических исследований возможностей повышения эффективности алмазного УЗ-выглаживания заготовок.
Результаты экспериментальных исследований влияния технологических факторов алмазного УЗ-выглаживания, и, в частности, параметров модуляции УЗ-поля, схемы наложения УЗК на эффективность обработки.
Результаты аналитических и экспериментальных исследований возможностей формирования РМР на обрабатываемых поверхностях при алмазном выглаживании с различными схемами наложения УЗК, и, в частности, условия формирования РМР в виде сетки лунок радиальными модулированными УЗК и винтовых канавок касательно-осевыми УЗК; аналитические зависимости параметров получаемых РМР от элементов режима обработки и параметров УЗ-поля.
Результаты опытно-промышленной апробации результатов исследований в производственных условиях трех промышленных предприятий и их технико-экономическую эффективность.
Методика исследований. Теоретические исследования выполнены на базе научных основ технологии машиностроения, физики сплошных сред, теории прочности и упругопластической деформации, механики поверхностного пластического деформирования.
Экспериментальные исследования базируются на теории планирования экспериментов, аппарате математической статистики, корреляционном и дисперсионном анализе с использованием ЭВМ. При выполнении работы использован метод определения накопленной деформации, предложенный В. М. Смелянским, современные методы неразрушающего контроля.
Научная новизна. Разработана аналитически и проверена экспериментально математическая модель процесса упрочнения поверхностного слоя заготовок, отражающая влияние технологических параметров УЗ-выглаживания (элементы режима выглаживания, параметры УЗК и схемы их наложения на инструмент) на накопленную деформацию и глубину упрочнения при УЗ-выглаживании с учетом пластических свойств обрабатываемого материала.
Установлены аналитически и проверены экспериментально условия получения РМР в виде сетки лунок и винтовых канавок на обработанных поверхностях валов.
Сформулированы рекомендации по использованию новой упрочняющей
технологии «бархатного» УЗ-выглаживания с образованием РМР на обработанных поверхностях заготовок валов малой жесткости.
Практическая ценность и реализация работы. Результаты проведенных исследований позволили:
Выявить закономерности процесса упрочнения для определения рациональных режимов УЗ-воздействия для обеспечения заданных параметров упрочнения обработанных поверхностей деталей машин.
Предложить новые эффективные способы УЗ-выглаживания, позволяющие реализовать выявленные аналитическим путем и проверенные экспериментально условия формирования на обработанных поверхностях РМР в виде лунок (при радиальном наложении УЗК) и в виде винтовых канавок (при «бархатном» выглаживании).
Повысить износостойкость обработанных поверхностей в среднем в 1,4 ... 1,6 раза по результатам опытно-промышленных испытаний новых технологий в производственных условиях.
Достичь расчетной годовой экономической эффективности в 462 тыс. руб.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научно-технических конференциях (НТК) Ульяновского государственного технического университета (УлГТУ) в 2005 - 2007 г.г.; международных НТК «Машиностроение и техносфера XXI века», Севастополь, 2006 - 2007 г.г.; Всероссийском совещании заведующих кафедрами материаловедения и технологии конструкционных материалов «Материаловедение и технология конструкционных материалов - важнейшие составляющие компетенции современного инженера. Проблемы качества технологической подготовки», г. Волжский, 2007 г.; «Высокие технологии в машиностроении «Интерпартнер - 2007», г. Алушта, 2007; «Авиакосмические технологии «АКТ-2007», г. Воронеж, 2007 г.; «Экология и безопасность промышленно-транспортных систем «ELPIT-2007», г. Тольятти, 2007 г.; на научно-технических семинарах кафедр "Технология машиностроения" и "Металлорежущие станки и инструменты" УлГТУ; на заседании научно-технического совета машиностроительного факультета УлГТУ в 2007 г.
По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе три в изданиях перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка (142 наименования) и приложений (46 страниц), включает 232 страницы машинописного текста, 93 рисунка и 19 таблиц.
