Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Методы поверхностного пластического деформирования (ППД) получили широкое применение в производстве благодаря обеспечению высоких эксплуатационных показателей деталей машин.
Среди прочих методов ППД перспективным является ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование (УЗПД), позволяющее управлять в широком диапазоне параметрами напряженно-дефомированного состояния, структурой и микрогеометрией поверхности благодаря механо-физическим особенностям обработки. Исследованию и внедрению данного метода в производство посвящены работы И.И. Муханова, В.Б. Асанова, А.И. Безнедельного, В.П. Гилеты, Ю.М. Голубева, Г.А.Исхаковой, Б.В. Морозова, Х.М. Рахимянова, В.И. Синдеева, Холопова Ю.В. и других авторов. По данным многочисленных исследований УЗПД применимо для широкого класса материалов от твердых сплавов до конструкционных сталей и цветных металлов. Однако, как отмечалось во многих работах, при обработке УЗПД поверхностей деталей, изготовленных из таких материалов, как незакаленные стали и цветные металлы, на поверхности возникает волнистость с шагом, отличным от подачи.
В литературе описаны отдельные попытки управления формированием волнистости путем изменения жесткости технологической системы, а также усовершенствованием характеристик ультразвуковой колебательной системы. При этом рассматривалось влияние отдельных режимных параметров обработки и жесткости обрабатываемых деталей на возникновение волнистости. Однако механизмы формирования данного вида неровностей, а также математические зависимости их геометрических параметров от режимов обработки недостаточно изучены, что не позволяет прогнозировать геометрическое состояние поверхности при УЗПД. В связи с этим исследование формирования геометрического состояния поверхности в условиях ультразвукового поверхностного пластического деформирования металлов и сплавов является актуальным.
Диссертационная работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011)» (Проект АВЦП 2.1.2/11449).
Цель работы - технологическое обеспечение геометрических параметров качества поверхности деталей ультразвуковым пластическим деформированием. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Выявить механизм формирования волнистости при ультразвуковом пла
стическом деформировании материалов различной твердости.
Разработать математическую модель формирования волнистости с оценкой ее геометрических параметров.
Экспериментально подтвердить теоретические исследования по формированию волнистости поверхности после ультразвукового пластического деформирования.
Установить зависимости величины суммарного объема фрагментов микрорельефа от режимных параметров обработки для оценки трехмерных характеристик топографии поверхности.
Разработать технологические рекомендации по применению ультразвукового пластического деформирования для обработки деталей различных классов.
Провести промышленную апробацию результатов исследования.
Методы исследования. Представленные в работе результаты получены на основе экспериментальных исследований с использованием апробированных методик, приборов и установок для выявления особенностей формирования геометрического состояния поверхности после УЗПД. Анализ геометрического состояния поверхности проводился с применением комплекса изучения топографии ZIGO New View 7300, исходное структурное состояние и химический состав образцов исследовался с помощью оптического металлографического микроскопа Zeiss Axiovert 40 МАТ и оптического эмиссионного спектрометра ARL 3460 Quantris, соответственно. Теоретические исследования проведены с использованием математического моделирования.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивалась применением современного экспериментального оборудования, статистических методов оценки погрешности измерений, использованием взаимодополняющих экспериментальных и теоретических исследований. Сформулированные научные положения, результаты работы и выводы согласуются с общими закономерностями упругопластического контакта поверхностей и результатами исследований ведущих ученых и специалистов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Выявлен механизм образования волнистости поверхности, заключающийся в цикличном накоплении и сбросе гребня волны пластического течения металла в направлениях скорости и подачи в условиях дробного деформирования ультразвуковым инструментом материалов различной твердости.
Установлен критерий формирования волнистости, представляющий собой соотношения кинематических параметров обработки (подача, скорость) с диаметром пластического отпечатка, связанным с деформационными параметрами процесса (амплитуда и частота колебаний, статическое усилие, диаметр деформирующего элемента) с учетом твердости обрабатываемого материала.
3. Разработана математическая модель формирования волнистости при
УЗПД, позволяющая определить значения ее геометрических параметров, таких
как число заходов винтовой линии, шаг неровностей в направлениях V и S и угол
их наклона.
4. Получены зависимости величины суммарного объема фрагментов микро
рельефа от режимных параметров обработки.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
Установлены границы режимных параметров, определяющие начало формирования волнистости на обрабатываемой поверхности при ультразвуковом пластическом деформировании металлических материалов различной твердости.
Предложен алгоритм выбора режимных параметров УЗПД, обеспечивающих формирование требуемого геометрического и механического состояния по-
верхностного слоя в зависимости от исходной шероховатости, статического усилия и исходной твердости обрабатываемого материала.
3. Результаты экспериментальных и теоретических исследований внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров по направлению 150900 «Конструкторско - технологическое обеспечение машиностроительных производств» и апробированы в технологическом процессе обработки класса деталей «Направляющая стабилизатора» на предприятии ОАО «Завод Труд», г. Новосибирск.
На защиту выносятся следующие положения:
Механизм и критерий формирования волнистости при ультразвуковом пластическом деформировании металлических материалов с твердостью до НВ 5000 МПа.
Результаты математического моделирования формирования волнистости при ультразвуковом поверхностном пластическом деформировании.
Результаты экспериментальных исследований формирования волнистости при обработке материалов с различной твердостью при ультразвуковом пластическом деформировании.
Усовершенствованная математическая модель формирования микрогеометрии поверхности для оценки трехмерных характеристик получаемого микрорельефа.
Технологические рекомендации по использованию полученных зависимостей для обеспечения упрочняющего и чистового эффекта при обработке пластичных материалов ультразвуковым пластическим деформированием.
Личный вклад автора заключается в проведении анализа методов обработки ППД, применяемых для формирования необходимых эксплуатационных характеристик поверхностного слоя деталей машин, постановке и проведении экспериментальных исследований, обработке и анализе полученных результатов, непосредственном участии в разработке экспериментального оборудования, разработке математической модели формирования волнистости поверхности и усовершенствовании модели формирования микрорельефа поверхности при УЗПД.
Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на международной конференции «IFOST» (г. Новосибирск, 2008 г.), III Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды» (г. Бийск, 2008 г.), на всероссийской научно-технической конференции «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2009 г.), на всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы в технологии машиностроения» (г. Новосибирск, 2009 г.), на международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (г. Бийск, 2010 г.), на Второй Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (г. Кемерово, 2011 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Высокие, критические электро- и нанотехнологии» (г. Тула, 2011
г.), на научных семинарах кафедры «Технология машиностроения» Новосибирского государственного технического университета.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 14 печатных работах автора, из которых 4 работы опубликовано в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 10 - в сборниках международных и всероссийских научно-технических и научно-практических конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 104 наименований. Работа содержит 195 страниц основного текста, в том числе 92 рисунка и 13 таблиц.
