Введение к работе
Актуальность проблемы. Важнейшим направлением современного машиностроения в энерго и ресурсосбережении в производственных процессах технологического обеспечения качества выпускаемой продукции является создание технологий формирования поверхностных слоев, обладавших высокими эксплуатационными показателями. Это требует разработки, исследования и внедрения в производство новых процессов, в том числе, основанных на комбинировании различных источников энергии.
К настоящему времени разработано большое количество разнообразных способов теплового и деформационного упрочнения. В качестве источников энергии для поверхностного термоупрочнения использовались ТВЧ (работы Г.Ф.Головина, М.М.Замятина, В.И.Гриднева, Ю.А.Мешкова, М.Ф.Жукова, В.В.Марусина и др.), лазерное импульсное и непрерывное излучения (ЛИ) (Н.Н.Рыкалин, А.Н.Кокора, А.Г.Григорьянц, Г.А.Абильсиитов, В.С.Коваленко, Н.И.Зуев), струя или дуга низкотемпературной плазмы (НТП) - (В.Н.Чачин, Л.А.Дахно, В.Д.Пархоменко, В.П.Горшунов, В.А.Линник), электронный луч (ЭЛ) - (И.И.Зуев, Н.Н.Рыкалин, А.А.Углов, М.В.Радченко) .
Второе направление в технологии поверхностного упрочнения, связанное с процессами пластического деформирования, представлено научными школами И.В.Кудрявцева, Д.Д.Лаптева, Е.Г.Коновалова, Б.А.Кравченко, A.M.Сулимы, И.И.Муханова, В.М.Смелянского, А.А.Дерибаса, Ю.Г.Шнейдера, В.М.Торбило, В.М.Враславского. Наибольшее распространение в технологии поверхностного пластического деформирования (ППД) получили обкатка шариками и роликами (CHIP), дорнование, дробеструйная обработка, центробежно - шариковая обработка (ЦБШ), алмазное выглаживание, вибронакатывание, упрочнение взрывной волной. Одним из наиболее перспективных методов ППД является импульсная упрочняпде-чистовая обработка ультразвуковым инструментом (УЗО). Исследованию различных схем использования ультразвука в упрочняющей технологии посвящены работы отечественных ученых И.И.Муханова, А.В.Кулемина, В.Ф.Казанцева, В.П.Север-денко, О.В.Абрамова, А.И.Маркова и др., а также зарубежных Д.Кумабе, Б.Лангенекера, Г.Кралика, Б.Вейса, В.Мезона и др.
Одной из первых работ в изучении комбинированных методов основанных на нагреве и пластическом деформировании было исследование выполненное М.Л.Бєрнштеином по созданию схемы ВТМПО. Еще одним представителем в этом направлении является метод электромеханической обработки (работы Б.М.Аскинази, В.П.Пономарева). В исследованиях Г.В.Карпенко, Ю.И.Бабея предложены методы импульсного упрочнения стальных деталей. Вопросам использования ультразвукового воздействия в процессах термической обработки металлов посвящены работы В.С.Биронта, Т.Х.Чормонова, Г.И.Эскина. Перспективность комбинирования физических процессов для создания новых методов в электротехнологии подтверждена исследованиями Э.Я.Гродзинс-кого, В.П.Смоленцева, В.В.Любимова, Н.И.Иванова и др.
Анализ современного состояния теории и практики создания упрочняюще-отделочных обработок с использованием комбинирования высокоинтенсивных термических и деформационных процессов показал, что целенаправленное формирование комплекса показателей конструктивной прочности, напряженного состояния материала, микро- и" субмикрогеометрии на поверхности обрабатываемых деталей невозможно без изучения термодиффузионных и деформационных процессов, развиваемых в поверхностном слое, закономерностей его структурообразования, комплексного исследования физико-механических и эксплуатационных свойств.
В этой связи, не вызывает сомнений целесообразность проведения фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований процесса комбинированного воздействия, позволяющих обеспечить рациональность в его управлении, прогнозирование показателей качества формируемого слоя для широкой гаммы обрабатываемых сталей и установить область и масштабы возможного применения новых технологий.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с координационным планом научных исследований АН СССР в 1986 -1990 г.г. по проблеме 1.8.2. "Ультразвук" (раздел 1.8.2.4. "Ультразвуковая технология"), научно-технической программой "Конверсия и высокие технологии, 1997-2000 г.г." (проект 57-1-16), а также в рамках вьшолнения Гранта по фундаментальным исследованиям в области машиностроения в 1995 г. (раздел 2 "Зпектрофизико-химическая обработка".
Цель работы заключалась в создании теоретических основ комбинирования высокоинтенсивных тепловых и деформационных процессов в поверхностном слое углеродистых сталей и технологических методов упрочняюще-отделочной обработки.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Разработать методологию комбинирования тепловых и деформационных процессов по критериям их совмещения на базе принципов сочетания воздействий и с учетом признаков их технологического назначения в обработке.
-
Создать комплексную математическую модель исследования физических процессов в зоне воздействий для количественной оценки предложенных критериев комбинирования и выявления закономерностей в управлении характеристиками качества поверхностного слоя, его напряженным состоянием и микрогеометрией поверхности.
-
Разработать обобщенный критерий для управления и прогнозирования упрочняющего и выглаживающего эффектов в комбинированной обработке на основе исследования комплексной математической модели процесса.
-
Разработать методы и способы упрочняюще-отделочной комбинированной поверхностной обработки с использованием источников КПЭ и УЗО по установленным принципам и признакам для достижения термических и деформационных эффектов в формировании поверхностного слоя стальных деталей и с учетом критериев совмещения выбранных источников воздействий.
-
Разработать технологические схемы, установки и инструменты для расширения возможностей и области применения комбинированной обработки в технологии изготовления деталей с разнообразным сочетанием исполнительных поверхностей, сложно-профильных деталей, для создания требуемой микро- и субмикро-геометрии.
-
Установить взаимосвязи характеристик качества поверхностного слоя с параметрами режимов воздействий для схем комбинированной обработки на базе теоретического анализа и экспериментального исследования.
-
Изучить формирование фазового состава и структурного состояния материала в условиях комбинирования высокоинтенсиз-ных источников воздействия по базовым схемам и установить их влияние на прочностные, пластические характеристики и напря-
женно-деформированное состояние поверхностного слоя.
8. Исследовать эксплуатационные показатели сформирован
ного поверхностного слоя в условиях износа и усталостного
нагружения.
9. Осуществить промышленное апробирование результатов
исследования.
Для решения экспериментальных задач использован комплекс следующих методов исследования: сверхскоростная киносъемка процесса ультразвукового нагружения; механические испытания, включающие измерение - твердости, микротвердости, прочностных характеристик поверхностного слоя (по методике М.С.Дрозда), ударной вязкости, остаточных напряжений; износостойкость и усталостные испытания; оптическая микроскопия; просвечивающая и растровая электронная микроскопия; рентгеноструктурный анализ; удельное электросопротивление; профилометрирование микрогеометрии поверхности.
Научная новизна работы.
Разработан комплекс принципов, признаков и критериев комбинирования термодеформационных процессов, обеспечивающий реализацию схем поверхностной термомеханической обработки. Определена роль термических и деформационных составляющих в достижении требуемой совокупности упрочняющих и отделочных результатов для базовых схем комбинированной обработки.
Предложено осуществить моделирование деформационного воздействия с оценкой тепловых процессов, напряженно-деформированного состояния обрабатываемого материала и микрогеометрии поверхности в комплексе с моделированием термического воздействия с математическим описанием теплофизических, диффузионных процессов и напряженного состояния. Это позволило рассчитать значения разработанных критериев комбинирования, определяющих границы существования термодеформационных схем комбинированной обработки. Комплексная модель позволяет установить области режимных параметров комбинируемых воздействий для обеспечения требуемых показателей качества поверхностного слоя по оценкам конструктивной прочности, напряженного и микрогеометрического состояния для гаммы углеродистых сталей.
Установлено критериальное соотношение кинематических и динамических параметров деформационного процесса, определяющее условие формирования полностью регулярного субмикрорельефа с
заданной плотностью, конфигурацией и направленностью рисунка при достижении требуемой величины упрочненного слоя на материалах с разной исходной твердостью.
- Выявлена возможность снижения температурно-временных
ограничений в процессах завершенности фазовых превращений и
гомогенизации структуры в поверхностном слое введением в
базовые схемы комбинированной обработки ультразвукового де
формирования по схеме УЗО.
Практическая ценность работы.
Полученные теоретические и экспериментальные результаты послужили основой создания эффективного способа комбинированной упрочняюще-отделочной обработки стальных деталей, обеспечивающего формирование поверхностного слоя с комплексом повышенных показателей конструктивной прочности, напряженного состояния и благоприятной субмикрогеометрией поверхности.
Разработанный подход в комплексном моделировании физических процессов в обработке и установленные закономерности в механизме комбинированного воздействия на поверхностный слой углеродистых сталей могут быть распространены и на более широкий круг обрабатываемых материалов, в том числе, чугуны и легированные стали.
Результаты теоретического исследования, отражающие связь параметров формируемой структуры поверхностного слоя с режимами термодеформационного воздействия, могут быть использованы при решении прикладных задач на этапе технологической подготовки производства.
Результаты теоретико-экспериментального исследования нового способа, а также технические решения, направленные на повышение его эффективности, использованы при проектировании технологических процессов обработки деталей и инструментов, работающих в тяжелых условиях внешнего нагружения (колонки штампов, пуансоны холодного выдавливания, торсионные валы, детали дизеля и др.).
Разработаные схемы, установки, инструменты повышают эффективность комбинированной обработки и расширяют ее технологические возможности.
- Научные результаты, полученные при выполнении работы,
используются в учебных курсах "Технология машиностроения",
"Электрофизические и электрохимические методы обработки
материалов", читаемых в Новосибирском государственном техническом университете.
На зашиту выносятся.
1. Методологические принципы, признаки и критерии комби
нирования высокоинтенсивных термических и деформационных
процессов.
-
Комплексная математическая модель комбинированного воздействия и теоретические закономерности развития термодиффузионных и деформационных процессов в поверхностном слое обрабатываемых материалов.
-
Критериальное соотношение одновременного достижения требуемых показателей в упрочняющем и отделочном результатах при обработке как основа управления параметрами комбинируемых воздействий.
-
Способ, базовые схемы и варианты плазменно-ультразву-ковой упрочняюще-отделочной обработки.
-
Экспериментальные результаты по обеспечению качества поверхностного слоя и особенности его структурно-фазового
/ состава при обработке углеродистых сталей по базовьм схемам комбинированного воздействия.
6. Способы, схемы, установки и инструменты для расшире
ния технологических возможностей комбинированной обработки.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях, совещаниях, семинарах.
Всесоюзное научно-техническое совещание "Опыт применения ультразвуковой техники и технологии в машиностроении", г.Саратов, 1985 г.; Шестая Всесоюзная конференция по ультразвуковым методам интенсификации технологических процессов, г.Москва, 1987 г.; Всесоюзное научно-техническое совещание "Опыт промышленного применения ультразвуковой техники и технологии", г.Новосибирск, 1976 г.; Научно-техническая конференция "Совершенствование методов, инструментов, оборудования, технологических процессов и их проектирование при обработке деталей машин", г.Омск, 1983 г.; 4-й семинар "Дисперсные кристаллические порошки в материаловедении", г.Киев-г.Канев, 1986г.; Всесоюзная научно-техническая конференция "Новые разработки в области ультразвуковой техники и технологии и опыт их применения в машиностроении",
г.Новосибирск, 1989 г.; Международная конференция "Авангардные технологии, оборудование, инструмент и компьютеризация производства оптико-электронных приборов в машиностроении", г.Новосибирск, 1995 г.; Третья международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП-96, г.Новосибирск, 1996 г.; Международная научно-техническая конференция "Научные основы высоких технологий" НОВТ-97, г.Новосибирск, 1997 г.; Всероссийская научно-техническая конференция "Современная электротехнология в машиностроении" СЭТ-97, г.Тула, 1997 г.; 3 международное рабочее совещание "Генераторы термической плазмы и технологии", г.Новосибирск, 1997 г.; Третий сибирский конгресс по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-98), г.Новосибирск, 1998 г.; Четвертая международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП-98, г.Новосибирск, 1998 г.; Областные научно-практические семинары "Современные методы нанесения покрытий и упрочнения деталей машин", г.Новосибирск, 1981— 1983 г.г.; Новосибирский городской научный семинар по металловедению, г.Новосибирск, 1990-1997 г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 43 печатных работы, получено 5 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и общих вызодов, изложенных на 430 страницах машинописного текста, в том числе 137 рисунков и 14 таблиц, списка литературы (192 наименования) и приложений.