Введение к работе
Актуальность проблемы.
Всевозрастающая конкуренция производителей различного оборудования и техники требует постоянного повышения качества материалов и совершенствования технологий. Высокие требования к качеству выпускаемых машин и приборов связаны с необходимостью повышения их точности, надёжности, долговечности, которые в значительной степени определяются эксплуатационными свойствами деталей и узлов. 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. Нужны новые наукоёмкие технологии.
Новыми наукоемкими технологическими методами обработки являются методы, базирующиеся на использовании фундаментальных наук и явлений -физических, химических, электрических. К таким методам обработки относятся: отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием, электроэрозионная, электроимпульсная, электроннолучевая, светолучевая, ультразвуковая, лазерная, магнитная, химическая и др. Вышеперечисленным насущным требованиям всецело отвечает экологичный, наукоёмкий и высокоэффективный способ ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов. Метод пластического деформирования с наложением ультразвуковых колебаний на инструмент позволяет получать более качественную обработку поверхностности с меньшими затратами. Поэтому очевидна актуальность проблемы износостойкости деталей, а значит разработки технологий финишной обработки, контроля шероховатости, упрочнения поверхности и реализации их в машиностроении.
s 1 Г,
Цель работы:
Целью работы является повышение качества изделий, увеличение срока их службы за счёт управляемой ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки, контроля шероховатости и упрочнения обработанной поверхности.
В соответствии с целью были сформулированы основные задачи:
1. Разработка методики и устройства для управляемой ультразвуковой
упрочняюще-финишной обработки, обеспечивающих проведение
экспериментальной обработки при различных режимах
2. Разработка методики контроля влияния различных параметров
ультразвуковой обработки, установление их оптимальных величин для
получения малой шероховатости и максимального упрочнения обработанной
поверхности;
3. Разработка методики измерения амплитуды ультразвуковых
механических колебаний инструмента;
Разработка и изготовление стенда для измерения амплитуды ультразвуковых механических колебаний инструмента на холостом режиме и при различных усилиях давления на работающий инструмент;
Разработка и изготовление ультразвукового пьезокерамического преобразователя для колебательной системы.
6. Разработка и изготовление колебательной системы для проведения
ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов.
7. Определение и обоснование конструктивной формы и размера
индентора;
8. Разработка методики контроля и оценки изменения шероховатости и
поверхностной микротвёрдости в процессе ультразвуковой упрочняюще-
финишной обработки с использованием профилографа и микротвёрдомера;
Научная новизна исследований.
В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
1. Методика контроля и оценки изменения шероховатости поверхности
в процессе ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки.
2. Методика управляемой ультразвуковой упрочняюще-финишной
обработки, обеспечивающих проведение экспериментальной обработки при
различных режимах;
3. Зависимость шероховатости и упрочнения поверхности от величины
амплитуды механических колебаний инструмента, определены оптимальные
величины амлитуды (=2,5-3,0 мкм);
4. Экспериментально установлена зависимость шероховатости и
упрочнения поверхности от величины давления индентора на обрабатываемую
поверхность, определены оптимальные величины давления (Р=250-280 Н);
5. Методика контроля и оценки повышения поверхностной
микротвёрдости в процессе ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки.
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.
- Контроль шероховатости до и после ультразвуковой обработки
производился с помощью инструментального микроскопа и профилографа;
- Контроль микротвёрдости проводился с помощью микротвёрдомера по
Викерсу;
- Контроль и оптимизация параметров ультразвуковой упрочняюще-
финишной обработки проводился за счёт оптимизации параметров амплитуды,
оптимизации параметров усилия давления инструмента, оптимизации
параметров скорости обработки;
- Выдвинутые теоретические положения подвергались анализу и
сопоставлению с экспериментальными результатами, обработка данных
проводилась на ЭВМ с использованием статистических методов.
Практическая ценность работы:
Практическую ценность диссертационной работы представляют результаты исследований:
Методика и устройство управляемой ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки, обеспечивающих проведение обработки на различных режимах позволяет обрабатывать детали из любых металлов и их сплавов.
Определённая в процессе исследований, форма и размер наконечника позволяет производить обработку на малых усилиях давления.
Разработанный и изготовленный ультразвуковой преобразователь способен обеспечить широкий спектр выходных параметров.
Разработанная и изготовленная ультразвуковая колебательная система позволяет производить ультразвуковую упрочняюще-финишную обработку различных металлов и их сплавы.
Методика входного и выходного контроля шероховатости позволяет определять режимы ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки для получения необходимых выходных параметров шероховатости поверхности.
Методика входного и выходного контроля твёрдости позволяет определять режимы ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки для получения необходимых выходных параметров поверхностной микротвёрлости.
В исследовательской работе использован комплект оборудования для ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки, 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. Награждён дипломом и ценным призом Комитета по науке и высшей школе.
Многочисленные разработки автора отмечены дипломами и медалями: Диплом 1 степени и золотая медаль Международной выставки-конгресса ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ, ИННОВАЦИИ, ИНВЕСТИЦИИ.
Диплом Петербургской технической ярмарки в конкурсе «Лучший инновационный проект в области металлургии и машиностроения».
Диплом 2 степени с вручением серебряной медали Международной выставки - конгресса ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ, ИННОВАЦИИ, ИНВЕСТИЦИИ
Диплом с вручением медали Петербургской технической ярмарки в конкурсе «Лучший инновационный проект в области металлургии и машиностроения»
Подано три патента: -ультразвуковой преобразователь, заявка №2010100031,11.01 2010 г. -ультразвуковая колебательная система, заявка № 2010100425,11.01 2010 г. -способ подготовки крахмалосодержащего сырья при производстве лимонной кислоты, заявка № 2009 139586/13(№056114), 26.10.2009 г.
Результаты исследований используются в учебном процессе СЗТУ в качестве лабораторных работ, производственных и преддипломных практик, дипломных работ, по дисциплинам: «Первичные преобразователи», «Специальные методы обработки» и др.
Результаты выполненной работы позволяют повысить производительность труда на финишных операциях механической обработки в 2-3 раза, автоматизировать финишные операции; получить экономию абразивных материалов и дорогостоящих войлочных и фетровых кругов, применяемых при традиционных методах шлифования и полирования; получить экономию за счёт повышения эксплуатационных свойств изделий в 1,5 - 2,5 раза.
Результаты работ внедрены в реальное производство на более чем 20 предприятиях России и ближнего зарубежья.
О.А.О. Синарский трубный завод, г. Синара, Свердловской обл., внедрена
установка для ультразвуковой обработки восстановленных валов; ООО «НПФ
«Мехкомплектация», С-Петербург, внедрена установка ультразвуковой
обработки посадочных шеек валов, пальцев; О.А.О. «Брестгазоаппарат»,
республика Беларусь, внедрена ультразвуковая установка для
комбинированной обработки наружных и внутренних поверхностей изделий
направляющих узлов штампов; Завод «Спецэлектромагнит» г. Комсомольск,
Ивановской области, внедрена установка по обработке пары «воротник-якорь»;
Акционерная компания «АЛРОСА», Ремонтно-строительное
специализированное управление, г. Мирный, Республика Саха (Якутия). Внедрена ультразвуковая установка для обработки шеек валов под сальники, сальниковые набивки, посадочные места подшипников, валы насосов ЦНС.
По отзывам предприятий, в результате внедрения разработанного ультразвукового оборудования и методики контроля, срок службы деталей увеличился в среднем в два раза.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Методика контроля с использованием разработанного стенда для измерения амплитуды ультразвуковых механических колебаний на холостом режиме и при различных усилиях давления на работающий инструмент;
Методика контроля и устройство управляемой ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки, обеспечивающих проведение обработки при различных режимах.
Установление зависимости шероховатости и упрочнения поверхности от величины амплитуды механических колебаний инструмента, определение оптимальных величин амплитуды;
Разработка методики контроля и оценки изменения шероховатости и поверхностной микротвёрдости, в результате ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки на различных режимах, с использованием профилографа фирмы Taylor Hobson precision и автоматической системе измерения твердости по Викерсу, OmniMet МНТ
Экспериментальное установление зависимости шероховатости и упрочнения поверхности от величины давления индентора на обрабатываемую поверхность, определение оптимальных величин давления;
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах:
l.Ha 12 международной выставке - конгрессе «Высокие технологии, инновации, инвестиции ». С-Петербург, 02-05 октября 2007 г.
На международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab View и технологии National Instruments». Москва, 23-24 ноября 2007 г,
На 3-ем Национальном конгрессе «Приоритеты развития экономики, новая экономическая политика-стратегия развития России до 2020г». Москва, Президент-Отель, 08-09 ноября 2008г.
На 2-ом С-Петербургском конгрессе «Профессиональное образование, наука, инновации в 21 веке». С-Петербург, 14-15 ноября 2008г.
На межрегиональной научно-методической конференции «Инновационные технологии в образовательной деятельности». С-Петербург, 15-16 апреля 2009 г.
На 8-ой Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». Москва, 18-20 марта 2009 г., СК «Олимпийский»
На конкурсе инновационных проектов в сфере науки и высшего образования С-Петербурга в 2008г. разработка автора «Оборудование для ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки поверхностей металлических изделий» признан победителем в номинации «Лучший инновационный продукт» в направлении «Индустрия нано-систем и материалов». Награждён дипломом и ценным призом Комитета по науке и высшей школе.
Результаты работы обсуждались на семинарах кафедры приборов контроля и систем экологической безопасности и кафедры технологии материалов и сварки СЗТУ, а также были использованы при разработке учебно-экспериментальных пособий, для проведения лекционно-практических занятий по курсу дисциплин кафедры.
Публикации. По теме диссертации опубликовано десять научных печатных работ, в том числе две в изданиях, рекомендованных ВАК.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, изложена на 152 - страницах машинописного текста, содержит 53 - рисунка, 7- таблиц и 98 - наименований литературных источников.
