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

Актуальность. 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 износостойкостьтермостойкость и усталостная прочностьмалый весспособность сохранять свои свойства в различных средах, в том числе агрессивныхв условиях воздействия излученийспособность определенным образом отражать или напротив, поглощать СВЧ-излученияоптические, 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. В основном это сплавы на основе титана, никеля, молибдена, алюминия, вольфрама, высоколегированные стали, различные композиционные материалы, керамика, карбиды тугоплавких металлов, ситаллы. Однако, использование этих материалов, хотя и обеспечивает изделиям высокие эксплуатационные характеристики и длительный срок службы, сопряжено с рядом серьезных проблем, связанных со значительной стоимостью исходных материалов и их первичной переработки и высокой трудоемкостью формообразования.

В конструкции деталей топливной, гидрои пневмоаппаратуры, применяемых в двигателестроении, ракетной технике, прецизионном технологическом оборудовании и аналитической аппаратуре широко применяются жаропрочные и нержавеющие стали и сплавы с большими значениями предела прочности (ав> 100 кг/мм). Характерными представителями таких материалов являются сплавы ВНЖ, 36НХТЮ, ВТ-3, ВТ-5, легированные стали.

12Х18Н10Т и др. Процессы обработки деталей из подобных материалов отличаются значительной трудоёмкостью вследствие адгезии материала на режущих кромках инструмента и повышенной сопротивляемости резанию, что вызывает необходимость вести обработку на пониженных режимах [14,25]. Высокие упругие свойства вызывают увеличение момента трения, разогрев рабочей зоны и, как следствие снижение стойкости режущих кромок и всего инструмента. Особенно затруднено сверление отверстий, длиной более 5−10 диаметров сверла, которые характерны для гидроаппаратуры.

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. В настоящее время Исследования в данной области проводятся и в России. Однако, наряду с определенными преимуществами ультразвукового резания 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 [1].

С конца XX века в конструкциях изделий точной механики, а также автомобильных и авиационных двигателей находят широкое применение высокотвердые и относительно хрупкие материалы (композиты, керамика, ситал-лы), изделия из которых характеризуются сложностью формы, высокой точностью размеров и повышенными требованиями к качеству поверхностного слоя, особенно в части количества и глубины залегания трещин. Применение в данных материалах для формообразования сложных криволинейных поверхностей ультразвуковой размерной обработки, а также комбинированных процессов 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.

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 [56, 67].

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, Ни-шимура, 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 [2, 13, 24, 25, 31, 37, 51, 55, 58, 60].

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. Широкое применение в парах движения износостойких покрытий, теория и практика формирования которых достаточно полно изучены в работах Н. Н. Рыкалина, В. В. Кудинова, Ю. А. Харламова, В. Н. Лясникова, создает еще одну проблему, связанную с неоднородностью структуры, вызванной как спецификой процесса нанесения (как правило, детонационным или плазменным методом), так и неоднородностью гранулометрического состава исходных порошков (особенно керамических), вызванной несовершенством технологий помола и рассева [3,4]. Неоднородность структуры вызывает нестабильность съема материала и резко повышает трудоемкость финишных процессов обработки. Применение методов повышения однородности структуры путем применения комбинированного напыления покрытий в ультразвуковом поле не полностью решает проблему, поскольку нивелирует технологические неоднородности процесса, а влияние исходной неоднородности гранулометрического состава порошков практически не устраняется [21].

Большой объем исследований в области ультразвуковой размерной и поверхностно-упрочняющей обработки без решения отмеченных вопросов может свидетельствовать о том, что возможности данных процессов практически исчерпаны.

Вышеизложенное с учетом того, что в перспективе в авиакосмической технике предполагается применение ещё более прочных и жаростойких материалов (двигатели для гиперзвуковых летательных аппаратов), делает актуальными проведение исследований по совершенствованию ультразвуковых процессов и разработку технологий, инструмента и оборудования, обеспечивающих повышение эффективности и качества обработки перспективных твердых и высокопрочных материалов, включая покрытия.

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

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Выполнить анализ современного состояния теории и практики обработки высокопрочных, твердых и хрупких материалов, в том числе покрытий с неоднородной структурой.

2. Разработать модель хрупкого разрушения материала и формирования трещин в его структуре с учетом корреляции физико-механических свойств и амплитудно-частотных параметров ультразвукового воздействия.

3. Провести комплексные исследования интенсивности разрушения и физико-механических свойств (шероховатость поверхности, величина трещиноватого слоя, микротвердость) поверхности хрупких и высокопрочных пластичных материалов при различном соотношении амплитудно-частотных параметров воздействия и особенностей структуры.

4. Предложить и обосновать технологическую схему процесса ультразвуковой обработки хрупких материалов с неоднородной структурой с высокой интенсивностью разрушения и минимальными дефектами структуры, а также высокопрочных сплавов. Разработать технологические рекомендации. Разработать технологию получения монодисперсных неметаллических порошков ультразвуковым диспергированием для использования в составе износостойких покрытий деталей машинои приборостроения и высокоточного абразивного инструмента.

5. На основе конечно-элементного анализа и компьютерного моделирования обосновать методику конструирования ультразвукового излучателя и применительно к конкретным условиям обработки. Разработать предложения по созданию специального оборудования.

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 НУ8−1000, компьютерного анализатора изображений микроструктур АГПМ-6М, кругломера Та-1угопс1 и цифрового профилографа «Калибр 170 623».При разработке рекомендаций по созданию рациональных конструкций ультразвуковых излучателей выполнялось компьютерное моделирование с использованием лицензионного программного продукта АРМ ¥-шМасЫпе.

Научная новизна:

Предложена и обоснована концепция разработки технологий финишной ультразвуковой обработки прецизионных деталей машинои приборостроения из твердых хрупких и высокопрочных материалов, основанная на выборе режимов ультразвукового воздействия в соответствии с размерными характеристиками 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 предраз-рушения 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 раз-норазмерностыо 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 конструкционных труднообрабатываемых материалов и покрытий в амплитудно-частотном диапазоне, определяемом 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 взаимосвязь амплитудно-частотных параметров 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 16−25 октября 2011 г.), «Шлифабразив-2011» (г. Волгоград 2011 г.), были награждены двумя дипломами и бронзовой медалью V Саратовского салона изобретений инноваций и инвестиций (февраль 2010 года), «НАНОИНЖЕНЕРИЯ» (г. Москва, 2009) — «Совершенствование техники, технологий и управления в машиностроении (СТТУ-2009)» (г. Саратов, 2009), «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (г. Саратов, 2009), «Пятый Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций» (г. Саратов, 2010), «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (г. Саратов, 2010), «Научные и научно-педагогические кадры России» (г. 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.

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/ 14 002 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, списка литературы и приложения. Содержит 95 рисунков, 30 таблиц, 110 литературных источников и 3 приложения.

5.5 Выводы.

1. Теоретически обоснована возможность получения микродисперсного и субмикронного порошка гидроксиапатита, а также микродисперсного порошка синтетической шихты ультразвуковым способом измельчения.

2. Подтверждена в ходе эксперимента возможность измельчения хрупких твердых материалов, на примере: гидроксиапатита (аморфно-кристаллический материал) и синтетической шихты (аморфный материал) на различных частотах воздействия.

3. На основании упорядочения явлений разработан новый механизм измельчения агломератов хрупких твердых материалов. Разработаны методики проведения эксперимента по измельчения агломератов хрупких твердых материалов.

4. Экономический расчет позволяет сделать заключение о целесообразности использования способа измельчения хрупких твердых материалов с воздействием ультразвука на агломерат для улучшения качественных характеристик получаемого порошка.

5. Разработан алгоритм разработки оптимальных конструкций колебательных систем, акцентированный на ЗБ-моделирование и расчет конструкций инструментов-концентраторов с помощью АРМ Structure 3D.

6. Для выбранного технологического процесса — диспергирование агломератов неметаллических материалов проведен последовательный расчет трех типов концентраторов по предложенному алгоритму с использованием среды АРМ Structure 3D. Исходя из результатов (таблицы 5.5) минимальные напряжения в месте контакта с агломератом гидроксиапатита в реальном технологическом процессе будут наблюдаться у конического концентратора. Это в свою очередь обеспечивает высокую стойкость торца концентратора к выкрашиванию (питтинг эффекту). Распределение напряжений по сечению концентратора растет от торца до места закрепления по убывающей величине, причем разница между предыдущим и последующим сечением по величине напряжения составляет 0,0077 Н/мм2. Минимальное значения перемещения, предполагает более стабильную работу конического концентратора по отношению к другим типам концентраторов при длительной эксплуатации.

При использовании конического концентратора выполненного из материала с более высокими механическими характеристиками (легированная сталь, титановый сплав) при диспергировании агломератов, прикладываемая статическая нагрузка может быть более 2Н для дробления более твердых материалов.

7. Использование цилиндрического концентратора в процессе дробления агломератов не рекомендуется, поскольку напряжения в месте контакта с агломератом и перемещения в продольном сечении в 2 раза выше, чем у конического концентратора. Данный тип концентратора целесообразно использовать при размерной ультразвуковой обработки со статической силой Рст. не более 1,5 Н.

8. У экспоненциального концентратора наблюдается скачок напряжений в месте геометрического центра концентратора от 0,4 496 Н/мм2 до 0,8 555 Н/мм2. Напряжение в месте контакта с агломератом у экспоненциального концентратора превышает значение напряжения в коническом концентраторе почти в 4,5 раза. Напряжение в месте крепления с пьезокерамиче-ским преобразователем ниже на 0,0183 Н/мм2, чем у конического концентратора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения диссертационной работы решена актуальная научно-практическая задача повышения качества деталей перспективных изделий машиноприборостроения 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 5060% 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 мкмполучению неметаллических порошков ультразвуковым измельчением с меньшей до 3 раз разноразмерно-стью частиц фракции.