Введение к работе
Актуальность работы.
В современных условиях качество выпускаемой продукции выступает важным мерилом экономических успехов любого предприятия, и даже государства. В условиях рыночной экономики именно с резким повышением качества производимой продукции связана возможность возрождения отечественной промышленности, а тем более выход отечественных товаропроизводителей на мировой рынок. Контроль качества продукции является составной частью производственного процесса. Поэтому огромное значение имеет разработка методов и приборов контроля состояния материалов и изделий, получаемых с помощью различных технологий. В свою очередь главным критерием качества технологий являются методы контроля различных способов воздействий для получения качественных изделий, соответствующих эксплуатационным требованиям.
Долговечность работы машин и приборов напрямую связана с качеством поверхностного слоя деталей, которое формируется в основном на финишных операциях механической обработки. Традиционные методы финишной обработки шлифования, полирования и притирки не всегда обеспечивают оптимальное качество поверхностного слоя. При использовании абразивного материала его частицы внедряются в обрабатываемую поверхность, происходит шаржирование поверхности. После шлифования на поверхности изделий остаются следы абразивных зерен, прижоги и микротрещины, которые не устраняются последующим абразивным полированием. Эти дефекты поверхности являются концентраторами напряжений и с них начинается разрушение поверхностного слоя деталей при эксплуатации, что снижает надежность машин и приборов.
Ряд недостатков, присущих традиционным методам удается исключить заменой такими методами поверхностного пластического деформирования (ППД) как алмазное выглаживание, обкатка шаром, роликом, дорнованием и др. При обработке методом поверхностного пластического деформирования получается упрочнённая поверхность с малой шероховатостью. Однако по своему характеру воздействия на поверхностный слой они являются статическими, сопровождающиеся большими нагрузками на инструмент и на деталь и, как следствие, большим трением, а отсюда относительно невысоким качеством поверхности. Решению данной задачи посвящены работы известных ученых, среди которых проф. А.И. Марков, проф. И.И. Муханов, проф. Н.П. Алёшин и др
Новыми наукоемкими технологическими методами обработки являются методы: отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием, электроэрозионная, электроимпульсная, электронно-лучевая, светолучевая, ультразвуковая, лазерная, магнитная, химическая и др.
Вышеперечисленным насущным требованиям всецело отвечает экологичный, наукоёмкий и высокоэффективный способ ультразвуковой обработки металлов. Метод пластического деформирования с наложением ультразвуковых колебаний на инструмент позволяет получать более качественную обработку поверхности сразу по нескольким параметрам с меньшими затратами.
Поэтому очевидна актуальность проблемы повышения износостойкости деталей, а значит разработки методики ультразвуковой финишной обработки и контроля качества, позволяющих получать поверхность, улучшенную сразу по трём основным параметрам качества: шероховатости, упрочнению и остаточным внутренним напряжениям.
Целью диссертационной работы является повышение качества изделий за счёт управляемой ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки (УЗУФО), с целью повышения надёжности и срока службы приборов машин и механизмов.
В соответствии с целью были сформулированы основные задачи исследования:
1. Разработка методов и средств контроля влияния различных параметров ультразвуковой обработки поверхности металла, установление их величин и взаимосвязи для получения малой шероховатости и максимального упрочнения обработанной поверхности.
2. Разработка методики и устройства для управляемой ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки путем автоподстройки частоты, обеспечивающей обработку поверхности металла на различных режимах.
3. Разработка методики контроля амплитуды ультразвуковых механических колебаний инструмента на холостом режиме и при различных усилиях давления на работающий инструмент.
4. Разработка ультразвукового пьезокерамического преобразователя и колебательной системы для проведения ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов и контроля качества.
5. Разработка методов и средств контроля и оценки изменения шероховатости и поверхностной микротвёрдости в процессе ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки с использованием профилографа и микротвердомера.
Достоверность результатов обеспечивается использованием современных технических средств и методов исследования, воспроизводимостью результатов экспериментов, сходимостью результатов расчёта с экспериментальными, повышением показателей качества обработки.
Научной новизной работы являются: - методика контроля изменения шероховатости поверхности и повышения поверхностной микротвёрдости в процессе ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки;
- методика и установка для контроля амплитуды ультразвуковых механических колебаний инструмента на холостом режиме и при различных усилиях давления на работающий инструмент и величины давления индентора на обрабатываемую поверхность;
- методика контроля и технология обработки поверхности металла, отличающиеся от известных тем, что контролируемые параметры используются для управления процессом ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки, путем автоподстройки частоты, регулирования усилия давления индентора и амплитуды колебаний рабочего органа;
- установленная зависимость шероховатости и упрочнения поверхности от величины амплитуды механических колебаний инструмента, определен диапазон значений амплитуды, обеспечивающей высокое качество обработки поверхности металла.
Методы исследования:
Диссертационная работа выполнена на основе комплексных аналитических и экспериментальных исследований. Аналитические исследования проводились на современных знаниях в области измерения шероховатости и упрочнения поверхности при различных способах финишной обработки металлов.
Выдвинутые теоретические положения подвергались анализу и сопоставлению с экспериментальными результатами, обработка данных проводилась на ЭВМ с использованием статистических методов и программы «Статистика».
Практическая ценность результатов:
Практическую ценность диссертационной работы представляют результаты исследований:
Методика и устройство управляемой ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки, обеспечивающих проведение обработки на различных режимах, позволила обрабатывать детали из любых металлов и их сплавов. Внедрена в ООО «НПФ «Мехкомплектация», С-Петербург для обработки и контроля качества посадочных шеек валов, пальцев, осей;
- Ультразвуковой преобразователь, отличающийся от известных тем, что способен обеспечить широкий спектр выходных параметров ультразвукового воздействия и их контроль, в отличие от ранее применяемых магнитострикционных преобразователей (Патент РФ № 94176);
- Определённые в процессе исследований, форма и размер наконечника позволяют производить обработку на малых усилиях давления. Внедрена на завод «Спецэлектромагнит», Комсомольск, Ивановской обл. ультразвуковая упрочняюще-финишная обработка тонкостенной детали типа «гильза»;
- Разработанные ультразвуковой преобразователь и ультразвуковая колебательная система позволяют производить ультразвуковую упрочняюще-финишную обработку различных металлов и их контроль, используются практически во всех внедрённых методиках и устройствах;
- Методика входного и выходного контроля шероховатости и поверхностной микротвёрдости позволила определять режимы ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки для получения необходимых параметров шеек валов под сальники, сальниковые набивки, посадочные места подшипников, валов насосов ЦНС. Внедрена в Акционерной компании «АЛРОСА», Ремонтно-строительное специализированное управление, г. Мирный, Республика Саха (Якутия);
В исследовательской работе использован комплект оборудования для ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки и контроля качества, разработанный автором и признанный победителем в номинации «Лучший инновационный продукт» в направлении «Индустрия нано-систем и материалов» в конкурсе инновационных проектов в сфере науки и высшего образования Санкт-Петербурга в 2008г.
Результаты исследований используются в учебном процессе СЗТУ в качестве лабораторных работ, в производственной и преддипломной практике и в дипломных работах, по дисциплинам: «Первичные преобразователи», «Специальные методы обработки» и в новой дисциплине «Ультразвуковая техника и технологии».
Результаты выполненной работы позволяют повысить качество, производительность труда на финишных операциях механической обработки в 2 – 3 раза, получить экономию за счёт повышения эксплуатационных свойств изделий в 1,5 – 2,5 раза, улучшить экологию.
Результаты работ внедрены в производство на более чем 20 предприятиях России и ближнего зарубежья: ОАО Синарский трубный завод, г. Синара, Свердловской обл., внедрена технология ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки и контроль качества восстановленных валов; ОАО «Брестгазоаппарат», республика Беларусь, внедрена ультразвуковая установка для комбинированной обработки наружных и внутренних поверхностей изделий направляющих узлов штампов и методика контроля качества.
Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Методика контроля амплитуды ультразвуковых механических колебаний инструмента и оценки изменения шероховатости и поверхностной микротвёрдости при различных усилиях давления рабочего инструмента;
-
Методика контроля и устройство управляемой ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки, обеспечивающих проведение обработки при различных режимах;
-
Ультразвуковой пьезокерамический преобразователь обеспечи-вающий широкий спектр выходных параметров ультразвукового воздействия и их контроль, в отличие от известного магнитострикционного преобразователя. (Ультразвуковой преобразователь отличающийся тем, что количество пьезоэлектрических элементов может быть от 2 до 6 и определяется требуемой мощностью преобразователя, отличающийся тем, что диаметр сквозного отверстия излучающей накладки может быть от 3 до 20 мм. для получения необходимого коэффициента усиления амплитуды). (Патент РФ № 94176).
-
Экспериментальная зависимость шероховатости и упрочнения поверхности от давления индентора на обрабатываемую поверхность.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах на: Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab View и технологии National Instruments», Москва, 23-24 ноября 2007г.; 8-ой Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», Москва, 18-20 марта 2009г.; Международной научно-технической конференции «Системы и процессы управления и обработки информации» том 2, С-Петербург, 25-27 мая 2010г.; II Международной научно-практической конференции «Механизмы формирования научного и кадрового сопровождения высокотехнологичных производств на предприятиях регионов» С-Петербург, 12-14 апреля 2011г.;
Результаты работы обсуждались на семинарах кафедры приборов контроля и систем экологической безопасности, кафедры технологии машиностроения и кафедры технологии материалов и сварки СЗТУ, а также были использованы при разработке учебно-экспериментальных пособий, для проведения лекционно-практических занятий по курсу дисциплин кафедр.
Публикации По теме диссертации получено два патента, опубликовано восемнадцать научных печатных работ, в том числе три в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и выводов, изложена на 157 страницах, содержит 52 рисунка, 16 таблиц и 96 наименований литературных источников.
