Обоснование и исследование эффективности ультразвуковой обработки прецизионных отверстий с применением крутильных колебаний

I. В В Е Д Е Н И Е Ускорение научно-технического прогресса названо на ХХУ1 съезде КПСС одной из основ обеспечения роста благосостояния советских людей, т. е. решения главной задачи одиннадцатой пятилетки. Современная наука и техника характеризуется бурным развитием новейших электрических и ультразвуковых методов обработки материалов, созданием нового технологического оборудования. Улучшение качества выпускаемой продукции остается основной линией экономического развития СССР на длительные перспективы. как необходимое условие создания материально-технической базы коммунизма. Необходимые в этом плане повышение надезшости машин и аппаратов, точности станков и приборов, экономически двигателей внутреннего сгорания и снижение токсичности их выхлопных газов требуют повышения точности изготовления прецизионных отверстий в деталях из закаленных сталей, труднообрабатываемых резанием. Условия эксплуатации, как правило, предъявляют к точным отверстиям повышенные требования по качеству поверхности, что делает весьма трудоемкой технологию получения точных сопряжений деталей в условиях массового производства. Так по потребностям 6… …8-ми министерств, в том числе в связи с актуальными направлением дизелизации в автопромышленности, по стране выпуск деталей топливной аппаратуры, сопрягаемых с зазором 0,6…1,8 мкм, составит около 40 млн. штук в год и это сопряжено со значительными за? тратами ручного и машинно-ручного труда. Над путях преодоления названных трудностей значительная роль уделяется электрическим и ультразвуковым методам обработки, отличающимся высокой интенсивностью излучения и объемной концентрацией энергии в зоне обработки. Электрофизические методы, однако, решая проблему точности, часто не применимы как финишные из-за большой толщины дефектного слоя. В аспекте комплексной интенсификаг ции одним методом целого ряда процессов технологического маршрута получения прецизионного отверстия более перспективным представляется использование ультразвуковой обработки /УЗО/ как лейвийными, так и абразивно-алмазными инструментами. При этом, согласно итогам теоретических разработок и моделирующих экспериментов широкого крута ученых различных школ например, А. Й. Маркова, В. Н. Подураева, В. А. Привалова, В. Д. Мартынова, А. А. Суворова и других, наиболее эффективным должно быть сообщение всем типам осевых инструментов от сверда до алмазного притира-доводника комплексных УЗК, близких к чисто крутильным. Однако, в опытах указанные предпосылки остались нереализованными, т.к. известные высокоэффективные пьезокерамические преобразователи чисто крутильных УЗК маломощны /до 0,2 вВт/, а. системы требуемой мощности /0,5.2 кВт/ не обеспечивает необходимой устойчивости векторной формы колебаний. Ц е лъь д, а н н о й д и с с е р т, а ц и и разработка теоретической и аппаратурной основ ультразвуковой технологии предварительной чистовой и отделочной обработки прецензионных отверстий в закаленных сталях с применением крутильных колебаний для повышения производительности, точности и качества обработки деталей, в частности, дизельной топливной аппаратуры. Таким образом, цель работы актуальна, соответсвует генераль— ному направлению развития отечественного производства в XI пятилетке и, что требуется от диссертационной работы, предусматривает новые решения научной задачи, имеющей существенное означение для точного машиностроения. Н аучная новизна работы связана с тем, что в ней предпринимается одна из первых попыток обоснования и применения в технологии обработки прецевионных отверстий специфических преимуществ попе6 речных ультразвуковых сдвиговых колебаний в форме технически чисто крутильных. В теоретическом.

7.1.3. Общие выводы.

Анализ состояния вопроса выявил перспективность применения крутильных УЗК при обработке отверстий, причем как на предварительных, так и на окончательных технологических переходах. Выявлены требования к форде колебаний и перспективность развития методов теории подобия на основе известного критерия скорости. В связи с отсутствием разработок ультразвуковой техники, отвечающей требованиям цели работы, были уточнены задачи самостоятельных разработок.

— Для предложенного принципиально нового типа крутильных УЗ преобразователей разработана инженерная методика расчета 3 -х главных собственных частот, на которых реализуются одинаковые амплитуды колебательных ускорений, достаточно значительные для целей технологического примененияизучены эксплуатационные характеристики, в том числе нагрузочные, предложены методики их определения и учета при проектировании станочного оборудования;

— С учетом кинематических и дислокационных ограничений, налагаемых на траекторию внутрициклического движения инструмента, получены функции ограничения, которые сужают область внедрения технологии. Подтверждена с погрешностью менее 10% определяющая роль критехия скорости) Для условий экстремумов эффективности процесса по удельному износу инструмента, точности' (например, разбиванию) и интенсивности исправления погрешностей геометрической формы отверстия. Указанные критериальные соотношения и ограничения принципиально применимы для случаев использования тангенциальных УЗ колебаний при обработке наружных поверхностей вращения и плоскостей;

— Средние усилия на инструменте, как и средняя температура, экстремально уменьшаются в функции критерия скорости ^ или амплитуды относительных колебаний, однако, ото уменьшение (в 1,2. .1,7 раза), по сравнению с обычным резанием, менее показательно как фактор стабильности процесса, особенно для чистовых операций;

— На основе нелинейной модели процесса предложена и успешно апробирована методология оперативной диагностики качества обра ботки (в связи с локальной скоростью изменения деформации? (3.8.) и степенью локализации последней), точности (в связи с эффектом демпфирования низкочастотных вибраций), шероховатости и интенсивности изнашивания инструмента (в связи с регистрируемыми явлениями адгезионных микроостановок — схватываний с глубинного вырывания материала в зоне контакта);

Методология принципиально применима для контроля процессов обработки с сообщением ультразвуковых колебаний, отличных от крутильных или тангенциальных;

— Успешно апробирована расчетная оптимизация режимов алмазной ультразвуковой доводки и подтверждена необходимость эмпирического уточнения условий номинальной наладки режимов УЗО лезвийными инструментами из быстродействующей стали ввиду малости допустимой средней скорости резания для них. Оперативный контроль адгезионных ограничений процесса и упрощенная схема его реализации успешно испытаны и рекомендуется для подналадки режимов всех видов УЗО инструментами пониженной жесткости;

— Установлено допустимым использование режимов, сопровождающихся микроостановками процесса из-за адгезионных схватываний на стадиях предварительного формообразования отверстия, например, сверлом и входной частью заборного конуса развертки. При этом возможность интенсификации процесса по съему (до 5-ти раз) лимитируется эмпирически в связи с требуемой точностью обработки;

— Общим эффектом применения УЗО в непрерывном режиме, применительно к сверлу, развертке, алмазному притиру — доводнику, является повышение точности по средним показателям разбивки и конусности в 2,7. .7 разовальность, существенная только в схемах обработки с вращением инструмента, уменьшается при УЗО менее значимо — в среднем в 1,4 раза-и з о г-нутость оси отверстия при оптимизированной алмазной ультразвуковой доводке исправляется в 1,7 раз быстрее, чем при обработке без колебаний, пороговые связи эффекта с величиной критерия скорости подтверждены с погрешностью менее 2%- показана особая важность режимов в фазе врезания инструментов;

— Шероховатость обработанной поверхности при УЗО чистовыми лезвийными и абразивными инструментами реализуется на уровне обычной обработки, либо в 2 раза меньшей влияние степени износа инструмента на шероховатость практически устраняетсяпоказана эффективность уменьшения амплитуды сообщаемых колебаний к концу операции;

— Толщина наклепа, в согласии с теорией процесса УЗО, уменьшается до 3-х раз, степень наклепа — с 37 $ до 18 $, остаточные напряжения I и П рода по величине и глубине залегания уменьшаются в 2,5.3 раза;

— Стабильность всех технологических показателей обработки отверстий при УЗО на крутильных колебаниях значимо (по.

Г I критерию Фишера) повышается (см. табл.7.I.). Дисперсия величины разбивки при алмазной УЗ доводке уменьшается в 7.8 раз, при УЗО разверткой PI8 — в 5,6.II раз, при УЗО сверлом — в 43.47 раздисперсия шага микронеровностей поверхности при УЗО разверткой уменьшается в 4,7 раза;

— Изнашивание малостойкого лезвийного инструмента малого диаметра при УЗО происходит с сохранением соотношений между известными геометрическими критериями износа, однако, наиболее рационально использовать технологический критерий износа-абсолютное уменьшение диаметра отверстия. Удельный износ как быстрорежущих лезвийных, так и абразивно-алмазных инструментов уменьшается в 2.3 раза, в том числе, удельный расход алмазов при оптимизированных режимах снижается в 3 раза, что определяет, при одновременном сокращении числа доводочных операций, экономическую эффективность процесса.

7.1.4. Степень обоснованности результатов. В соответствии с прикладным профилем диссертационной работы, главные научные выводы работы даны в математической формулировке. Справедливость предложенных расчетных соотношений для определения рабочих частот крутильного ультразвукового преобразователя подтверждена в экспериментах с погрешностью менее 10 $, что находится в соответствии с допустимым разбросом табличных значений физико-механических характеристик материалов.

Справедливость положений теоретической модели и основанной на ней методологии контроля и наладки режимов подтверждена сходимостыо значений расчетных порогов критерия скорости с экспериментальными не ниже 2%, что отвечает точности реализации условий эксперимента.

Дополнительным свидетельством обоснованности положений работы может служить близость значений показателя эффективности для различных реализованных процессов по показателю съема на единицу акустической мощности (см. табл. 7.1.).

7.1.5. Практическая ценность. Предложения и рекомендации, разработанные по данным исследований процессов и оборудования ультразвуковой обработки отверстий на крутильных колебаниях нашли отражение в заводской разработке проекта ультразвукового станка на электромашиностроительном производственном объединении им. Лепсе, г. Киров.

По данным совместных лабораторных исследований алмазной ультразвуковой доводки прецизионных отверстий деталей топливной аппаратуры в условиях головного по отрасли института ЦНИТА, г. Ленинград, совместно разработан и проходит опытно-промышленные испытания головной образец прецизионного ультразвукового доводочного станка. Его внедрение в условиях массового производства деталей топливной аппаратуры, планируемое на НЗТА, г. Ногинск, обеспечит по заводу экономический эффект в 352 900 рублей в год.

Имеются предварительные заявки на последующее внедрение названных разработок в условиях массового производства на ряде заводов топливной аппаратуры (КЗТЗ, г. КурскНЗТА, г. Чугуев).

7.1.6. Реализация работы. Внедрение процессов ультразвуковой обработки отверстий на крутильных колебаниях осуществлено на электромашиностроительном производственном объединении им. Лепсе, г. Киров, в условиях производственного потока на токарно-револь-верном станке, рис. 6.3, применительно к 5-ти операциям по обработке заготовок шестерен 48-ти наименований (см. Прил. П. 6,15 —17,19), а также на станкостроительном заводе им. Серго Орджоникидзе, г. Челябинск, (см. Прил. П. 7, П.16). Суммарный годовой экономический эффект от внедрения указанных станков составляет I9I405 рублей. Внедрение ультразвуковой алмазной доводки связанным абразивом взамен 1-й и 2-й доводочных операций по обработке втулки плунжера УТН5-ПП425 осуществлено на станках мод.38 210П40 в условиях НЗТА, г. Ногинск, рис. 6.5. Внедрение предложенной технологии при программе выпуска 4906 тыс.шт. в год обеспечит экономический эффект около 380 тыс. руб. в год (Прил. П. 22.3).

7.2. Рекомендации по использованию разработок.

Для рационального использования систематически действующих эффектов повышения точности и стабильности показателей обработки при одновременном повышении стойкости инструментов рекомендуется применять УЗО на крутильных колебаниях в непрерывном режиме при уровне побочных УЗК менее — 20 дБ преимущественно для чистовой и отделочной обработки высокоточных отверстий, например, прецизионныхинтенсификация предшествующих переходов, выполняемых с одной установки детали на шпинделе-волноводе крутильного УЗ привода рациональна сокращением числа таких переходовпри наладке отдельных стадий и переходов учитывать сравнительные их характеристики по табл. 7.1.

Проектировать станочное оборудование предпочтительно по схеме ме с пассивным инструментом (рис 2.3.2.а), дающей большую стабиль ность условий обработки и производительности еевращение сообщать предпочтительно обрабатываемой детали.

Использовать для комплексной интенсификации предварительной, чистовой и отделочной обработки отверстий унифицированное оборудование с крутильным УЗ преобразователем в исполнении на 2-хре-жимную эксплуатацию, базовые металлорежущие станки с многоинстру-ментной наладкой, вращающиеся УЗ головки с механизированным зажи-ШШ обрабатываемых деталей.

Рекомендации по выбору технологического маршрута обработки отверстийтипового варианта исполнения и режимов оборудования УЗО.

7.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 7.1. Общее заключение по работе.

7.I.I. Актуальность работы. По мере повышения требований, к надежности машин и аппаратов, точности станков и приборов, экономичностн двигателей внутреннего сгорания и снижения токсичности их выхлопных газов, повышаются требования к точности изготовления малоразмерных отверстий в деталях из закаленных сталей, труднообрабатываемых резанием. Условия эксплуатации, как правило, предъявляют к точным отверстиям повышенные требования по качеству поверхности и шероховатости, что, в совокупности, существенно усложныет и удорожает технологию получения точного сопряжения деталей в условиях массового производства, требуют больших.

•затрат ручного труда.

На путях преодоления названных трудностей значительная роль уделяется новейшим видам технологии с высокими концентрациями энергии в зоне обработки и выраженно динамическим воздействием на материал, например, при ультразвуковой обработке, для которой многие из аффектов предсказаны, моделировались, но не реализованы по разным причинам.

Все эти обстоятельства и явились основой формулирования цели диссертационной работы как разработки теоретических основ, технологических процессов и оборудования ультразвуковой обработки (УЗО) с применением крутильных колебаний для повышения точности, качества и производительности обработки высокоточных отверстий малого диаметра в закаленных сталях, труднообрабатываемых резанием. цель работы успешно достигнута в практическом приложении к обработке широко распространенных деталей (мелкомодульных шестерен 48-ми наименований и деталей дизельной топливной аппаратуры — втулки плунжера рядного насоса и корпуса расры-лителя форсунки) из хромомарганцевых сталей, закаленных до HPС ,. 36.65. Наборы лезвийных осевых инструментов малого диаметра из сталей типа PI8 и притиры с алмазными брусками для отделочной обработки прецизионных отверстий также распространена весьма широко, труднозаменимы и по стойкости лимитируют производительность технологии.

— При комплексном подходе к интенсификации предварительной, чистовой и отделочной алмазной обработки малоразмерных точных.

2,5 Н8.^ 8,5 Н6) отверстий показана возможность сокращения числа инструментов и технологических переходов при увеличении объема на единицу акустической мощности до 1,5.2,6 мм3/(с.кВт^ что отвечает международному уровню новейших видов технологии. Данные о реализации разработок относятся к различным видам базобого станочного оборудования — токарным, сверлильным и хонинго-вально-доводочным станкам.

7.1.2, Научная новизну. Приведенные в диссертации материалы представляют одну из первых попыток применения в технологии обработки отверстий специфических преимуществ поперечных ультразвуковых сдвиговых колебаний в форме технически чисто крутильных. Её успешное завершение связано с решением впервые следующих главных по значению вопросов.

— К известной линейной модели процесса обработки с сообщением УЗК уточнены для случая применения крутильных колебаний предпочтительные акустико-технологические схемы станков и виды инструментов, уточнены технические требования к сообщаемым крутильным УЗК, в частности, по допустимому уровню помех — побочных колебанийопределены и апробированы пороговые условия и функции ограничения режимов, используемые на этапе предварительной наладки оборудования.

— Теоретическая модель процесса УЗО дополнена анализом нелинейности адиабатического деформирования металла в каждом цикле ультразвукового воздействия и на этой основе реализована методика оперативной диагностики процесса и окончательной подналадки его режимов.

— Разработаны теоретически и проверены экспериментально способы и устройства возбуждения и контроля крутильных ультразвуковых колебаний, отвечающие требованиям цели данной работы. Технические решения защищены 3-мя авторскими свидетельствами на изобретения;

— Для приводных ультразвуковых преобразователей мощностью в тысячи Ватт (при уровне побочных колебаний ниже — 20 дБ) изучены условия конструктивного исполнения для двухрежимной эксплуатации •на некратных частотах, где амплитуды колебательных ускорений равны или близки, а жесткость нагрузочных характеристики сущест-' венно различна, что отвечает различным требованиям предварительной и чистовой обработки отверстий с одной установки детали;

— Предложены методики определения нагрузочных характеристик ультразвукового привода и их учета при целевом проектировании специализированного станочного оборудования.

На основе конкретных полученных решений задач, поставленных в связи с целью диссертационной работы можно заключить следующее.