Повышение эффективности и качества финишной обработки деталей из твердых и прочных материалов на основе применения ультразвуковых колебаний с амплитудой и частотой, устанавливаемыми с учетом параметров структуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

18

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической

и физико-технической обработки

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И КАЧЕСТВА ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТВЕРДЫХ И ПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ С АМПЛИТУДОЙ И ЧАСТОТОЙ, УСТАНАВЛИВАЕМЫМИ С УЧЕТОМ ПАРАМЕТРОВ СТРУКТУРЫ

Петровский Алексей Петрович

Саратов 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Бекренев Николай Валерьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Загородских Борис Павлович

кандидат технических наук, доцент

Бабенко Марина Геннадиевна

Ведущая организация - ОАО «НИТИ-Тесар», г. Саратов

Защита состоится «23» декабря 2011 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.242.02 в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, ул. Политехническая, 77., корп.1, ауд.319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Автореферат разослан «23» ноября 2011 г.

Автореферат размещен на сайте ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»: sstu@sstu.ru «23» ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А.А. Игнатьев

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Общей тенденцией развития современного производства наряду с автоматизацией и широким внедрением компьютерной техники является применение новых конструкционных материалов, обладающих разнообразными физико-химическими и механическими свойствами (высокая износостойкость; термостойкость и усталостная прочность; малый вес; способность сохранять свои свойства в различных средах, в том числе агрессивных; в условиях воздействия излучений; способность определенным образом отражать или напротив, поглощать СВЧ-излучения; оптические, биомедицинские и другие характеристики). Областями применения таких материалов являются машиностроение, ракетно-космическая, авиационная и ядерная техника, приборостроение, а также медицинская техника и производство товаров народного потребления.

С конца ХХ века в конструкциях изделий точной механики, а также автомобильных и авиационных двигателей находят широкое применение высокотвердые и относительно хрупкие материалы (композиты, керамика, ситаллы), изделия из которых характеризуются сложностью формы, высокой точностью размеров и повышенными требованиями к качеству поверхностного слоя, особенно в части количества и глубины залегания трещин. Начиная с 60-х годов прошлого века, задача обработки высокопрочных конструкционных материалов в ряде стран (СССР, Япония, Германия, ЧССР) решалась путем сообщения режущему инструменту колебаний ультразвуковой частоты. Однако наряду с определенными преимуществами по снижению сил резания и температурной напряженности не решенной остается задача снижения стойкости инструмента из-за знакопеременных нагрузок на режущие кромки при больших амплитудах колебаний. Применение малых амплитуд не приводит к заметному росту производительности.

Применение ультразвуковой размерной обработки, а также ультразвукового шлифования и доводки уже не отвечает современным требованиям, поскольку сущностью данных процессов является высокочастотное ударное воздействие инструмента по абразивным зернам, вызывающее охрупчивание поверхности и формирование развитой сетки трещин, отрицательно влияющей на эксплуатационные характеристики изделий, особенно пар трения. Таким образом, в настоящее время в области ультразвуковых технологий обработки перспективных материалов остается не решенным ряд задач, без решения которых становится затруднительным обеспечение требуемого высокого качества и конкурентоспособности перспективных изделий и разработка критических технологий федерального значения.

Вышеизложенное делает актуальным проведение исследований по совершенствованию ультразвуковой обработки и разработку технологий, инструмента и оборудования, обеспечивающих повышение качества обработки перспективных твердых и высокопрочных материалов, включая покрытия.

Цель работы: повышение эффективности и качества финишной обработки поверхностного слоя деталей машино- и приборостроения путем уменьшения размеров дефектного поверхностного слоя на основе применения ультразвуковых колебаний с амплитудой и частотой, устанавливаемыми с учетом параметров структуры.

Методика исследований, применяемые оборудование и аппаратура. Теоретические исследования выполнялись с использованием теории резания абразивным инструментом, теоретических положений механики вязкого и хрупкого разрушения, теории усталостной прочности, физики и механики ультразвука. При проведении экспериментальных исследований применялись методы планирования многофакторных экспериментов, статистической обработки результатов. Использовалась оригинальная ультразвуковая малогабаритная установка со сменными ультразвуковыми преобразователями и плавно регулируемой нагрузкой. Исследования поверхности образцов выполнялись с использованием цифрового твердомера HVS-1000, компьютерного анализатора изображений микроструктур АГПМ-6М, кругломера Talyrond и цифрового профилографа «Калибр 170623». При разработке рекомендаций по созданию рациональных конструкций ультразвуковых излучателей выполнялось компьютерное моделирование с использованием лицензионного программного продукта APM WinMachine.

Научная новизна.

Предложена и обоснована концепция разработки технологий финишной ультразвуковой обработки прецизионных деталей машино- и приборостроения из твердых хрупких и прочных материалов, основанная на выборе режимов ультразвукового воздействия в соответствии с параметрами их структуры: амплитуда колебаний выбирается по критериям разрушения структурных элементов материала и минимального дефектного слоя, частота - по критерию сохранения необходимой интенсивности ультразвука для обработки данного материала. При этом:

1. Обоснована технология ультразвуковой размерной обработки твердых и хрупких материалов с минимальными отклонениями формы и дефектным слоем на основе установленной взаимосвязи ультразвукового воздействия и размерных параметров структуры материалов.

2. Установлена взаимосвязь между параметрами амплитуды и частоты ультразвука с размерами элементов структуры материала, позволяющая вести эффективную обработку аморфных и кристаллических материалов с минимальными амплитудами колебаний для снижения размера зоны предразрушения и уменьшения величины дефектного поверхностного слоя.

3. Разработана феноменологическая модель разрушения фрагментов структуры аморфных и кристаллических материалов, а также порошков при воздействии ультразвука различных амплитудно-частотных диапазонов, позволяющая качественно обосновать эффект снижения дефектности обработанной поверхности путем снижения амплитуды колебаний при соответствующем повышении частоты ультразвукового воздействия с учетом размеров элементов структуры материала.

4. Методом конечно-элементного анализа по критериям максимального увеличения амплитуды и минимальных напряжений определены принципы конструирования ультразвуковых колебательных систем для осуществления размерной ультразвуковой обработки твердых хрупких материалов, ультразвукового измельчения агломератов твердых хрупких материалов.

Практическая ценность:

1. Разработаны высокоэффективные технологии малоамплитудной ультразвуковой обработки (размерная обработка твердых хрупких материалов, ультразвуковое измельчение агломератов твердых хрупких материалов) обеспечивающие на режимах: амплитуда в диапазоне 0,1-0,01 среднего размера элементов структуры, частота не менее 40 кГц при среднем размере абразива 3-24 величины амплитуды снижение размеров дефектов в 1,5-2,7 раза при сохранении высокой производительности.

2. Предложен и теоретически обоснован метод, а также разработан технологический процесс получения микродисперсных неметаллических порошков ультразвуковым измельчением на различных частотах воздействия. Предложенный метод позволяет получать порошки с меньшей до 3 раз разноразмерностью частиц фракции, снизить технологические затраты на измельчение агломератов гидроксиапатита на 65,6 руб./изд., а также повысить качество покрытия, полученного методом электроплазменного напыления.

3. Разработано ультразвуковое технологическое оборудование для осуществления процесса измельчения агломератов твердых хрупких материалов с целью получения микродисперсных одноразмерных порошков для последующего плазменного напыления, прессования или спекания.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

1. Метод ультразвуковой обработки твердых и прочных материалов и покрытий с амплитудами и частотами, определяемыми параметрами их структуры, позволяющий обеспечить снижение размеров дефектов при сохранении высокой производительности.

2. Модель разрушения элементов структуры аморфного и кристаллического материала или частиц порошка под действием ультразвука, позволяющая определить ожидаемое время обработки и величину дефектного поверхностного слоя.

3. Результаты экспериментальных исследований, позволившие установить необходимые амплитуды и частоты ультразвукового воздействия с характеристиками структуры конструкционных материалов и параметрами качества поверхностного слоя.

4. Технологические процессы обработки твердых хрупких материалов, а также получения микродисперсных неметаллических порошков ультразвуковым измельчением.

Апробация результатов. Основные положения работы докладывались на 6 конференциях различного уровня: Международная научная конференция «Фундаментальные исследования» (Израиль, 2011), «Шлифабразив-2011» (Волгоград, 2011), «НАНОИНЖЕНЕРИЯ» (Москва, 2009); «Совершенствование техники, технологий и управления в машиностроении» (Саратов, 2009), «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009), «Пятый Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций» (Саратов, 2010), «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010), «Научные и научно-педагогические кадры России» (Саратов, 2010), а также на заседаниях кафедр «Физическое материаловедение и технология новых материалов» в 2008-2010 гг., «Теория механизмов и детали машин» в 2010-2011 гг., «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении» в 2011 г. Практические результаты работы были отмечены двумя дипломами и бронзовой медалью V Саратовского салона изобретений инноваций и инвестиций (февраль 2010 года).

Исследования в диссертационной работе выполнялись при поддержке Фонда Содействию Малых Форм предприятий в научно-технической сфере (программа У.М.Н.И.К., государственный контракт № 8761 р/ 14002 от 14 января 2009 г.).

Публикации. Основные научные положения и результаты диссертации изложены в 10 публикациях, из них 6 в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложена на 216 страницах, содержит 95 рисунков, 30 таблиц, 110 литературных источников и 3 приложения.

2. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность исследований, определена цель, отражена научная новизна и практическая ценность результатов работы. Представлены положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ методов повышения качества поверхностного слоя прецизионных деталей машино- и приборостроения электрофизическими методами» выполнен аналитический обзор методов повышения качества ультразвуковой обработки твердых хрупких и высокопрочных конструкционных материалов.

В работах С.Г. Редько, А.В. Королева, Д.Г. Евсеева и их научных школ рассмотрены вопросы формирования микрорельефа поверхности изделия на операциях абразивно-алмазной обработки (шлифование, суперфиниширование) и созданы теоретические основы процесса абразивного микрорезания.

Исследования Л.Д. Розенберга, А.И. Маркова, В.Ф. Казанцева, М.С. Нерубая, Б.А. Аграната, В.Н. Хмелева, О.В. Абрамова, Б.Л. Штрикова, Б.М. Бржозовского, Н.В. Бекренева, Нишимура, Дз. Кумабэ позволили выявить основные закономерности воздействия энергии ультразвуковых колебаний на процессы механической (в том числе финишной абразивной) обработки материалов, металлизации их поверхности и кристаллизации расплавов.

Выполненные ранее исследования этих и других отечественных и зарубежных ученых касались в основном разработки методов повышения эффективности ультразвукового воздействия, обеспечения размерной точности и точности формы, снижения шероховатости поверхности. При этом вопросы повышения стойкости инструмента для ультразвуковой обработки и снижения дефектности поверхностного слоя практически не рассматривались.

На основании проведенного анализа сделан вывод о том, что возможности ультразвуковых процессов в части обеспечения качества перспективных изделий различных областей техники практически исчерпаны.

Для обоснования новых технологий ультразвуковой обработки перспективных изделий машино- и приборостроения из высокопрочных и твердых материалов в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать модель хрупкого разрушения материала и формирования сколов и трещин в поверхностном слое с учетом корреляции физико-механических свойств, размерных характеристик структуры и амплитудно-частотных параметров ультразвукового воздействия.

2. Провести комплексные исследования интенсивности разрушения и физико-механических свойств (шероховатость поверхности, величина дефектного слоя, микротвердость) поверхности хрупких и высокопрочных материалов при различном соотношении амплитуды и частоты ультразвукового воздействия и особенностей структуры материалов.

3. Предложить и обосновать технологическую схему процесса ультразвуковой обработки твердых хрупких материалов с неоднородной структурой с высокой интенсивностью разрушения и минимальными дефектами структуры, а также высокопрочных сплавов. Разработать технологические рекомендации ультразвуковой обработки на основе взаимосвязи параметров ультразвука и характеристик структуры. Разработать технологию получения микродисперсных неметаллических порошков ультразвуковым измельчением для использования в составе износостойких покрытий деталей машино- и приборостроения и высокоточного абразивного инструмента.

4. На основе конечно-элементного анализа и компьютерного моделирования обосновать методику конструирования ультразвукового излучателя применительно к конкретным условиям обработки. Разработать предложения по созданию ультразвукового оборудования для проведения процессов сверления конструкционных труднообрабатываемых материалов, измельчению агломератов твердых хрупких материалов.

В качестве объектов исследования выбраны детали газодинамических опор (ГДО) с износостойким покрытием WC и из керамики КП-1, использующиеся в механических приборах и шпиндельных группах прецизионного оборудования. Рабочим элементом опор являются аэродинамические канавки сложного профиля, имеющие глубину 3-5 мкм, точность профиля 1 мкм, шероховатость не более Ra 0,63 мкм, допустимую глубину трещин не более 2 мкм. Предметом исследования являются величина сколов и трещин, скорость съема материала, макро- и микрогеометрия поверхности канавок.

Во второй главе «Теоретическое обоснование повышения качества поверхностного слоя материалов и покрытий при их ультразвуковой обработке на основе применения ультразвуковых колебаний с амплитудой и частотой, устанавливаемых с учетом параметров структуры» предложена и обоснована феноменологическая модель разрушения кристаллических и аморфных материалов под действием ультразвука, устанавливающая различный характер зависимости размеров зоны дефектообразования от амплитуды ультразвука: для аморфных материалов изменение дефектной зоны напрямую зависит от амплитуды колебаний, для кристаллических - на процесс разрушения материалов и размеры зоны трещинообразования влияют размеры зерен структуры и протяженность межзеренных границ.

На основе анализа особенностей структуры материалов и механики их разрушения при циклическом нагружении получена зависимость, позволяющая определить минимальную (критическую) амплитуду колебаний, обеспечивающую разрушение структурных компонентов известной величины и стабильное протекание процесса размерной обработки:

, (1)

где [у] - предел прочности материала на сжатие; R_ст. - половина среднего размера (радиус описанной сферы) зерен структуры материала; F - площадь пятна упругой деформации зерна структуры; d_З - средний размер абразивного (алмазного) зерна, участвующего в обработке; Р_ст. - статическая сила давления инструмента на поверхность материала через слой абразива.

На основе физических основ ультразвуковой технологии и закономерностей хрупкого разрушения Гриффитса и Шоу получены выражения, определяющие минимальный размер зоны сколов и трещинообразования при обработке кристаллических (2) и аморфных (3) материалов:

В этих выражениях: R - радиус абразивного (алмазного) зерна (описанной сферы); E - модуль упругости обрабатываемого материала; x - текущая координата по глубине обработки; a - средний размер зерна структуры; h - толщина межзеренной границы; H - максимальная рассматриваемая глубина процесса разрушения; д - логарифмический декремент затухания амплитуды колебаний в структуре материала.

Установлена зависимость для определения рациональной частоты ультразвука с учетом особенностей структуры и свойств обрабатываемых материалов:

где у_-1 и Е - предел усталостной прочности при симметричном цикле нагружения и модуль упругости для данного материала; Q - нагрузка, действующая на материал детали; t - время обработки; N_Б - базовое число циклов нагружения, принимаемое в машиностроении 10⁷ - 10⁹.

Теоретически установлено, что величина амплитуды колебаний должна выбираться по критерию минимальной величины дефектного слоя в зависимости от особенностей структуры обрабатываемых материалов и размеров ее фрагментов, а частота колебаний должна выбираться исходя из требований обеспечения эффективности процесса обработки.

На основе анализа полученных зависимостей предложен алгоритм выбора технологических режимов ультразвуковой обработки с учетом различий в структуре материалов.

1. Исходя из технических требований к поверхности детали задаются размерами зоны распространения трещин d.

2. Подставив d в (2) или (3) находят минимальную по критерию трещинообразования амплитуду колебаний А₁.

3. Исследуют структуру материала детали и, исходя из средних размеров элементов структуры материала, по (1) находят минимальную по критерию разрушения зерен амплитуду А₂.

4. Сравнивая А₁ и А₂, выбирают наименьшее значение амплитуды (если окажется, что А₁ < А₂, то, подставив найденное значение А₁ в (2) или (3), находят соответствующее значение статической силы прижима инструмента Р_ст, обеспечивающее разрушение зерен).

5. Необходимую частоту колебаний выбирают по (4).

Полученные в главе 2 выражения позволили уточнить направление дальнейших исследований и выбрать рациональные величины параметров ультразвукового воздействия на обрабатываемый материал.

В третьей главе «Методика проведения экспериментальных исследований» разработана общая схема проведения исследований, включающая следующие серии опытов: внедрение конического инструмента в твердые хрупкие и высокопрочные материалы; микрорезание высокопрочных материалов; размерная ультразвуковая обработка плазмонапыленного покрытия WC.

Определены материалы, диапазоны регулирования технологических режимов, подобрана аналитическая аппаратура, разработаны, изготовлены и отлажены экспериментальные установки, оснастка и инструмент. Исследовались керамика КП-1, ситалл СО-115, покрытие WC, полученное методом электроплазменного напыления, кварцевое стекло КУ-1.

Для проверки общности предложенной гипотезы о зависимости рациональных амплитуды и частотны ультразвуковой обработки от размерных параметров структуры материалов проводились опыты по индентированию конструкционных сплавов, использующихся в производстве деталей топливной, гидро- и пневмоаппаратуры, имеющих точность порядка 1-5 мкм и шероховатость поверхности Ra 0,16 мкм. Исследовали сталь 9ХС и сплав ВТ-3 в сравнении со сталью 45.

Разработаны частные методики проведения экспериментов в каждой серии опытов. В частности, разработана оригинальная методика нахождения контролируемой области на образце до и после обработки для измерения микротвердости. Определен вид аппроксимирующих функций.

Использовалась оригинальная ультразвуковая установка с генератором нового поколения УЗГ-И разработки ООО «Ультразвук-ТЕО».

Исследования микротвердости поверхности образцов выполнялись с использованием цифрового твердомера HVS-1000, компьютерного анализатора изображений микроструктур АГПМ-6М, кругломера Talyrond и цифрового профилографа «Калибр 170623».

При оптимизации конструкции ультразвуковых излучателей выполнялось компьютерное моделирование с использованием лицензионного программного продукта APM WinMachine (г. Королев).

В четвертой главе «Экспериментальные исследования» приведены результаты экспериментов по индентированию конструкционных сталей и сплавов, внедрению алмазного наконечника в аморфные и кристаллические твердые хрупкие материалы, а также их графическая и математическая интерпретация (табл. 1).

Анализ результатов исследований внедрения конического алмазного наконечника в твердые хрупкие материалы позволяет сделать следующие выводы.

Структура материала влияет на форму и величину сколов: для аморфных характерны округлые протяженные сколы с концентрическими трещинами, для кристаллических - относительно меньшие с резко граненой формой, вызванной вырывом отдельных кристаллов и их фрагментов.

С увеличением амплитуды ультразвуковых колебаний наблюдается значительное увеличение сколов, как по абсолютной, так и по относительной величине для всех исследованных материалов.

Таблица 1. Влияние параметров ультразвуковой обработки на характер разрушения поверхности различных хрупких материалов

Для аморфных материалов характерно более интенсивное увеличение относительных сколов с ростом амплитуды, чем для кристаллических. Установлено, что с ростом частоты ультразвука при сохранении интенсивности подвода энергии за счет снижения амплитуды колебаний наблюдается значительное уменьшение размеров сколов при сохранении интенсивности разрушения, выраженной сходными размерами отпечатков (рис. 1).

Этот факт можно считать важным для ультразвуковой абразивной обработки хрупких материалов с пониженной дефектностью поверхности, поскольку в отличие от чистовых режимов обработки сохраняется высокая производительность. Уменьшение величины сколов и трещин можно объяснить уменьшением динамической силы и упругих деформаций по причине снижения амплитуды, а сохранение производительности обеспечива-ется ускорением формирования трещиноватой зоны предразрушения из-за увеличения числа циклов воздействия на материал в единицу времени при высоких частотах. При этом если для аморфных материалов снижение амплитуды может быть произвольным, то для кристаллических величина амплитуды должна выбираться с учетом размеров кристаллов.

Рис. 1. Влияние параметров ультразвука на характер внедрения алмазного наконечника в кварцевое стекло КУ-1 (а, б) и керамику КП-1 (в, г) (Р=15 Н, t = 5 c): а и в - А=8 мкм, f=20,5 кГц; б и г - А=2 мкм, f=42,8 кГц

Результаты экспериментов по внедрению конического индентора при амплитуде 4-5 мкм и частоте 22 кГц в полированную поверхность различных металлов и сплавов (рис. 2) показывают, что размеры отпечатка существенно зависят от свойств материала образца, но отличия результатов в зависимости от схемы вдавливания (с ультразвуком и без ультразвука) для одного и того же материала неявно зависят от микротвердости поверхности.

При этом коэффициент корреляции по размерам зерен превышает таковой по микротвердости поверхности на 50-60% и по фрактальной размерности - на 30-35%. Таким образом, на основе постановочных опытов можно заключить, что на эффективность ультразвука в большей степени влияют параметры структуры, а не твердость поверхности материала, что подтверждает наши теоретические предположения.

Рис. 2. Влияние ультразвука на размеры отпечатка от вдавливания индентора в сталь 45: а и б - после термообработки (а - без ультразвука, б - с ультразвуком); в и г - в состоянии поставки (в - без ультразвука, г - с ультразвуком)

Выполненные исследования могут явиться основой для разработки эффективных технологий и оборудования для ультразвуковой абразивной обработки перспективных конструкционных материалов.

В пятой главе «Практическая реализация результатов исследований» обоснованы ультразвуковые технологии размерной обработки полостей малой глубины в деталях типа газодинамических опор из твердых хрупких материалов, получения монодисперсных неметаллических порошков под последующее плазменное напыление или прессование; разработана методика выбора рациональных конструкций ультразвуковых волноводов и концентраторов на основе конечно-элементного анализа с применением компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния для различных технологических процессов; выполнено технико-экономическое обоснование.

Установлено, что твердость материала не является определяющим фактором в различии интенсивности разрушения исследуемых материалов. Керамика КП-1 имеет согласно проведенным измерениям микротвердость Hм = 3202 Н/мм², плазмонапыленный слой карбида вольфрама Hм = 636,5 Н/мм², т.е. их микротвердости различаются примерно в 5 раз. При этом скорость съема покрытия в среднем при различных амплитудах выше, чем керамики, почти в 3,4 раза. Основную роль в объяснении этого факта играют характеристики структуры данных материалов: размеры зерен и прочность их связи между собой (когезия). Тем самым частично подтверждается высказанное нами в главе 2 предположение, что при ультразвуковой обработке хрупких материалов целесообразно учитывать именно размерные параметры их структуры во взаимосвязи с амплитудой и частотой колебаний.

Частота ультразвука также оказывает существенное влияние на скорость съема, поскольку наряду с амплитудой определяет величину колебательной скорости и интенсивность ультразвука.

Для покрытий аналогичной WC твердости и плотности структуры для обеспечения максимальной производительности без жестких требований к качеству поверхности может быть рекомендована амплитуда колебаний, равная А = (0,55-0,6)D, где D - средний размер зерна структуры.

Шероховатость обработанной поверхности однозначно зависит от величины амплитуды колебаний: с ростом амплитуды величина шероховатости увеличивается, однако, по-видимому, на характер зависимости влияют отношение амплитуды и размеров зерна структуры и абразива, поскольку, как показывают данные табл. 2, наиболее интенсивный рост в исследованном диапазоне параметров наблюдается при А = 4-8 мкм. При меньших и больших амплитудах он замедляется.

Таблица 2. Влияние амплитуды колебаний на шероховатость обработанной поверхности покрытия WC (f = 23,5 кГц, АСМ 5/3)

Из анализа профилограмм (рис. 5) обработанной поверхности следует, что с увеличением амплитуды и частоты колебаний возрастает глубина трещиноватого слоя в 3-10 раз (в исследуемом диапазоне параметров). При увеличении частоты шероховатось поверхности снижается из-за перекрытия следов ударов абразивных зерен. Увеличение амплитуды во всех случаях ведет к росту шероховатости. При обработке на рациональной частоте колебаний формируется поверхность с минимальной шероховатостью и малым дефектным слоем (снижение до 3-5 раз), что с учетом отмеченных выше результатов по скорости съема и формированию макрогеометрии позволяет рекомендовать данный принцип разработки ультразвуковых технологий размерной обработки, заключающийся в определении минимальных по критерию дефектности поверхности амплитуд и рациональных по критерию скорости съема при данной определенной амплитуде частотах для практического использования.

Использование при ультразвуковой размерной обработке партии подпятников ГДО определенных в ходе теоретических и экспериментальных исследований режимов воздействия ультразвука (А = 2 мкм, f = 40,2 кГц) позволило получить канавки с заданной точностью профиля и меньшей в 2,5 величиной дефектности поверхностного слоя (рис. 6).

Среднее время обработки одного подпятника составило 29-30 с. (по применявшейся ранее ультразвуковой технологии - 28-33 с), шероховатость поверхности Ra 0,22 мкм и Ra 0,6 мкм соответственно. Разработан алгоритм выбора рациональных конструкций ультразвуковых концентраторов и волноводов для различных технологических процессов (рис. 7).

В результате анализа, выполненного по данному алгоритму, для силовых методов обработки (прессование, поверхностное пластическое деформирование, дробление) могут быть рекомендованы конические концентраторы, для размерной обработки (прошивка, резание, шлифование, доводка) - цилиндрические ступенчатые, экспоненциальный тип концентратора может использоваться в несиловых технологических процессах (распыление, диспергирование, эмульгирование или гомогенизация материала в водных и других растворах, а также очистка каналов и полостей).

В результате выполнения диссертационной работы решена актуальная научно-практическая задача повышения качества деталей перспективных изделий машино-приборостроения в процессе их ультразвуковой обработки путем прогнозируемого уменьшения размеров дефектов поверхностного слоя на основе выбора амплитуды и частоты колебаний в соответствии с размерными характеристиками и физико-механическими свойствами конкретных материалов. При этом получены следующие результаты.

1. Теоретически установлено, что величина амплитуды ультразвуковых колебаний должна выбираться по критерию минимальной величины дефектного слоя в зависимости от особенностей структуры обрабатываемых материалов и размеров ее фрагментов, а частота колебаний должна выбираться исходя из требований обеспечения эффективности процесса обработки.

2. Предложен и обоснован алгоритм выбора технологических режимов ультразвуковой обработки с учетом различий в структуре материалов. На основе анализа требований к ультразвуковым излучателям и особенностей технологических процессов, а также путем компьютерного моделирования разработан и применен на практике алгоритм создания рациональных конструкций элементов колебательных систем (преобразователи, волноводы и трансформаторы скорости) ультразвукового технологического оборудования.

3. Эксперименты по моделированию процессов размерной обработки качественно подтвердили преимущественное влияние на эффективность и качество ультразвуковой обработки соотношения его амплитуды, частоты и размеров элементов структуры. В частности, коэффициент корреляции по размерам зерен превышает таковой по микротвердости поверхности на 50-60% и по фрактальной размерности - на 30-35%.

4. Получены эмпирические зависимости размеров следов абразивных зерен и дефектов от режимов ультразвуковой размерной обработки, позволяющие определять необходимые амплитудно-частотные параметры процесса для обеспечения требуемого качества поверхностного слоя и эффективности обработки.

5. Установлено, что твердость материала не является определяющим фактором в различии интенсивности разрушения исследуемых материалов: при различии микротвердости до 5 раз у разных по строению материалов скорость съема в среднем при различных амплитудах изменяется почти в 3,4 раза. С увеличением амплитуды и частоты колебаний возрастает глубина трещиноватого слоя в 3-10 раз (в исследуемом диапазоне параметров). При размерной ультразвуковой обработке на рациональной частоте колебаний, определяемой по полученным в работе зависимостям, формируется поверхность с минимальной шероховатостью и малым дефектным слоем (снижение до 2,7 раз).

6. Разработаны технологические рекомендации по размерной ультразвуковой обработке твердых хрупких материалов с размерами дефектов не более 2 мкм и шероховатостью до 0,22 мкм; получению неметаллических порошков ультразвуковым измельчением с меньшей до 3 раз разноразмерностью частиц фракции.

ультразвуковой сверление труднообрабатываемый колебание

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях

В журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Петровский А.П. Влияние структуры конструкционных материалов на характер ультразвукового воздействия при их поверхностной обработке / А.П. Петровский, Н.В. Бекренев // Технология металлов. 2011. № 5. С. 35-39.

2. Петровский А.П. Исследование формирования дисперсионного состава неметаллических порошков путем ультразвуковой распылительной сушки /А.П. Петровский, Н.В. Бекренев // Технология машиностроения. 2011. № 7. С. 50-52.

3. Петровский А.П. Обоснование метода повышения эффективности ультразвуковой обработки конструкционных материалов на основе установления корреляции амплитудно-частотных параметров процесса и фрактальной размерности их структуры / Н.В. Бекренев, Н.В. Протасова, А.П. Петровский // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2009. № 3 (41). Вып. 2. С. 23-27.

4. Петровский А.П. Исследование особенностей шлифования труднообрабатываемых материалов инструментом с режущими микронеровностями путем ультразвукового микрорезания / Н.В. Бекренев, А.П. Петровский, В.М. Фирсов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. № 3 (48). Вып. 3. С. 33-37.

5. Петровский А.П. Оптимизация конструкций трансформаторов скорости ультразвукового оборудования на основе 3-D моделирования (постановка задачи) / Н.В. Бекренев, А.П. Петровский, Т.Ю. Чиндыкова // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. № 4 (49). С. 77-83.

6. Петровский А.П. Влияние частоты и направления ультразвуковых колебаний на эффективность сверления труднообрабатываемых материалов / Н.В. Бекренев, А.П. Петровский // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 1 (52). С. 36-40.

В других изданиях

7. Петровский А.П. Исследование и разработка технологического процесса и оборудования для получения монодисперсного порошка гидроксиапатита ультразвуковым дроблением под последующее электроплазменное напыление / А.П. Петровский // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: сб. науч. тр. Саратов, 2009. Т. 2. С. 15-19.

8. Петровский А.П. Разработка и организация серийного производства учебно-лабораторного комплекса для изучения ультразвуковых процессов размерной обработки конструкционных материалов / Н.В. Бекренев, А.П. Петровский // Пятый Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций. Саратов, 2010. С. 133-134.

9. Петровский А.П. Разработка комплекса ультразвуковых технологий и специального оснащения финишной обработки отверстий малого диаметра / Н.В. Бекренев, А.П. Петровский // Пятый Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций. Саратов, 2010. С. 148-149.

10. Петровский А.П. Исследование и разработка технологического процесса и оборудования для получения монодисперсных неметаллических порошков ультразвуковым дроблением для производства изделий приборостроения и медицины / Н.В. Бекренев, А.П. Петровский // Пятый Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций. Саратов, 2010. С. 12-13.

Размещено на Allbest.ru