Формирование остаточных напряжений при нарезании резьбы с наложением ультразвуковых колебаний

На правах рукописи

РОМАШКИНА Оксана Викторовна

ФОРМИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ НАРЕЗАНИИ РЕЗЬБЫ С НАЛОЖЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

05.02.08 – Технология машиностроения

01.02.04 – Механика деформируемого твёрдого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Самара – 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном уч­реждении высшего профессионального образования «Самар­ский государственный технический университет» на кафедре «Инструментальные системы и сервис автомобилей»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Головкин Валерий Викторович

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор

Радченко Владимир Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дёмин Феликс Ильич

кандидат физико-математических наук, доцент

Кичаев Пётр Евгеньевич

Ведущая организация: Государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ-Прогресс»

Защита состоится «_16__» ___декабря____ 2011 г. в _1500_ часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.02 в ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская 141, корп. № 6, ауд. 33.

Отзыв на автореферат, заверенной гербовой печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет».

Автореферат разослан «___»__ноября__ 2011 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор А.Ф. Денисенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Технический прогресс в машиностроении во многом определяется тех­но­логией изготовления различных деталей и сборочных единиц изделий. При этом в техноло­гическом цикле изготовления деталей доминирующая роль принадлежит механиче­ской обработке. Одним из направлений повышения эф­фективности механической обработки является применение вынужденных ультразвуковых колебаний. Примене­ние ультразвука позволяет повысить про­изводительность процесса, точность изготов­ления деталей, а следовательно, качество и надёжность изделий.

В настоящее время при сборке различных узлов и агрегатов машин при­меняются резьбовые соединения, от эксплуатационных характеристик которых зависит работо­способность всей сборочной единицы. Поэтому в ряде случаев к ответственным резьбовым деталям предъявляют повышенные требования. Особенно эффек­тивным оказалось применение ультразвука при нарезании резьб в труднообрабатываемых и высокопрочных ма­териалах, что позволило повысить произво­дительность труда, стойкость резьбообра­зующего инструмента и изменить ка­чественные характеристики поверхностного слоя. Вместе с тем, несмотря на широкое использование ультразву­ковых колебаний при на­резании резьб, в на­стоящее время практически отсутствуют исследования по изуче­нию влияния различных параметров ультразвукового воздейст­вия, в частности на­правления вынужденных ультразвуковых колебаний, на фор­миро­вание остаточных на­пряжений в резьбовых деталях, которые оказывают значительное влияние на рабо­тоспособность при эксплуатации в условиях переменных нагрузок.

В связи с изложенным тема диссертационной работы, посвящённой фор­мирова­нию остаточных напряжений в поверхностном слое резьбовых де­талей, изго­товлен­ных из труднообрабатываемых материалов с применением вынужденных ульт­разву­ковых колебаний, является актуальной.

Представленные в диссертационной работе исследования проводились в рамках проекта Министерства образования и науки Российской Федерации по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потен­циала высшей школы» (Рег. №2.1.1/3397).

Цель работы: формирование сжимающих остаточных напряжений при нареза­нии резьбы в труднообрабатываемых и высокопрочных материалах с наложением ультра­звуковых колебаний.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие за­дачи исследования:

1. Провести теоретико-экспериментальные исследования по изучению влияния направления вынужденных ультразвуковых колебаний на шероховатость, точность и остаточные напряжения при нарезании резьбы.

2. Разработать математическую модель и на её основе методику расчёта для определения полного (трёхмерного) распределения полей остаточ­ных на­пряжений во впадине резьбы.

3. Исследовать влияние остаточных напряжений, полученных при ультразву­ко­вом резьбонарезании, на предельную амплитуду цикла (нагружения) резьбовых деталей.

4. Разработать научно обоснованные рекомендации по эффективному ис­пользо­ва­нию ультразвуковых колебаний различного направле­ния при нареза­нии резьбы в труднообрабатываемых и высокопрочных материалах.

Методы исследования. Реализация поставленной цели осуществлялась теорети­ческими и экспериментальными методами. Теоретические исследова­ния проведены на базе фундаментальных разработок в области технологии машиностроения, теории формирования поверхностного слоя при механиче­ской обработке, механики дефор­ми­руемого твёрдого тела и математического моделирования напряжённо-деформирован­ного состояния. Экспериментальные исследования проводились с использованием специальных апро­бированных методик, а также с применением оригинальных ультра­звуковых уст­ройств.

Достоверность полученных результатов исследования подтверждается коррект­ным использованием законов механики деформируемого твёрдого тела, соответствием теоретических и экспериментальных данных, а также при­менением статистической обработки результатов наблюдений по ГОСТ 8.207-76.

Научная новизна работы

1. На основании теоретико-экспериментальных исследований установлено влияние тангенциальных, радиальных и осевых ультразвуковых колебаний на точность, шероховатость резьбы и формирование остаточных напряжений в её впади­нах у деталей из титановых сплавов ВТ3-1, ВТ9, ВТ16, нержавеющей (12Х18Н9Т) и высокопрочной (30ХГСА) сталей.

2. Разработана математическая модель для определения напря­жённо-деформи­рованного со­стояния поверхностного слоя во впадинах резьб, наре­занных при различных видах ультразвуковых колебаний, с целью дальнейшего прогнози­рования работоспособности резьбовых деталей по предельной ампли­туде цикла.

3. Установлена качественная картина и получены количественные характери­стики влияния направления ультразвуковых колебаний на предельную амплитуду цикла резьбовых деталей.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. Определены оптимальные параметры процесса нарезания наружных резьб резцами и круглыми плашками с применением ультра­звука и разрабо­таны научно обоснованные рекомендации по эффективному использованию способа нарезания на­ружных резьб с вынужденными ультразвуковыми коле­баниями.

2. Разработана специальная методика, позволяющая определить напря­жённо-

де­формированное состояние в поверхностном слое впадин резьбы.

3. На основании проведённых исследований разработан новый способ на­резания резьбы с применением ультразвуковых колебаний, по­зволяющий по­высить пре­дель­ную амплитуду цикла напряжений за счёт формирования во впадинах резьбы сжимающих остаточных напряжений (па­тент РФ № 2404031).

4. Опытно-промышленная проверка предложенного способа нарезания резьбы, проведённая на предприятии ОАО «Волгабурмаш», показала повыше­ние ресурса работы резьбовых деталей в 1,5 раза. Результаты данной работы вне­дрены в научно-исследовательскую деятельность Самарского государственного технического универ­ситета, в учебный процесс и ис­пользуются при проведении лабораторных работ и вы­полнении выпускных квалифи­кационных работ по специальности 151002 «Металло­обрабатывающие станки и ком­плексы».

На защиту выносятся:

1. Способ нарезания резьбы с применением ультразвуковых колебаний, позволяющий повысить работоспособность по предельной амплитуде цикла (нагружения) резьбовых деталей за счёт формирования во впадинах резьбы сжимающих остаточных напряжений.

2. Математическая модель и разработанная на её основе методика расчёта, позволяющая определить напряжённо-деформированное состояние поверхностного слоя впадин резьбы.

3. Результаты экспериментального исследования по изучению влияния направления вынужденных ультразвуковых колебаний на формирование осевых остаточных напряжений во впадине резьбы при обработке образцов из титановых сплавов ВТ3-1, ВТ9, ВТ16, нержавеющей стали 12Х18Н9Т и высокопрочной стали 30ХГСА.

4. Результаты теоретико-экспериментальных исследований напряжённо-деформированного состояния в поверхностном слое впадин резьбы.

5. Результаты исследования влияния остаточных напряжений, полученных при обработке с различными видами ультразвуковых колебаний, на предельную амплитуду цикла (нагружения) резьбовых деталей.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на 6 научно-технических конференциях, а именно: на Всероссийской научно-техниче­ской конферен­ции с международным участием «Высокие технологии в маши­ностроении» (г. Са­мара, Самарский гос. техн. ун-т, 2007-2008 гг.); на VI Международной научно-тех­нической конференции «Проблемы каче­ства ма­шин и их конкурентоспособности» (г. Брянск, Брянский гос. техн. ун-т, 2008 г.); на V Всероссийской научной конферен­ции с международным уча­стием «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, Самарский гос. техн. ун-т, 2008 г.); на Всероссийской научно-техни­ческой конференции с международным участием «Машиностроительные технологии» (г. Москва, Московский гос. техн. ун-т им. Баумана, 2008 г.); на Международной научно-тех­нической конферен­ции «Прочность материалов и элементов конструкций» (г. Киев, Украина, Ин­ститут проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Украины, 2010 г.).

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 15 научных публика­циях, из них: 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикаций материалов доктор­ских и кандидатских диссертаций; 6 статей в сборниках научных трудов; 2 те­зиса докладов в материалах научно-технических конференций; па­тент РФ № 2404031.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по каждой главе и общих выводов, списка использованной литературы из 114 наименова­ний и приложений.

Материал изложен на 109 страницах, содержит 56 рисунков и 1 таблицу. Общий объём работы – 121 страница машинописного текста.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, опреде­лена цель, представлены науч­ная новизна, практическая значимость, основные науч­ные положения и ре­зультаты, выносимые на защиту.

Первая глава диссертационной работы посвящена обзору и анализу ме­тодов ме­ханической лезвийной обработки с наложением на инструмент выну­жденных ультра­звуковых колебаний.

Отмечено, что существенный вклад в развитие и исследование процесса нареза­ния резьбы с применением ультразвуковых колебаний внесли В.А. Волосатов, В.В. Головкин, А.А. Горбунов, В.Н. Захаров, Б.А. Кравченко, Д. Кумабэ, А.Н. Марков, В.Д. Мартынов, Э.Н. Михайлюк, М.С. Нерубай, В.Н. Подураев, В.М. Салтанов, Ю.Н. Сулье, А.Г. Турков, Н.Н. Черня, Б.Л. Штриков и другие учёные. В работах этих авторов представлены результаты исследования влия­ния вынужден­ных ультразвуко­вых колебаний на силы резания и крутящий момент, процесс стружкообразо­вания, температуру в зоне резания, стойкость инструмента, шерохова­тость об­работанной поверхности и точность нарезае­мых резьб. В исследованиях, посвящённых изучению влияния различных по направлению вынужденных ультра­звуковых колебаний на формирование ос­таточных напряжений в поверхностном слое при различных видах механиче­ской обработки, отмечено, что направление ультра­звуковых колебаний в зна­чительной степени изменяет распределение и величину остаточных напряже­ний. Вместе с тем в литературе практически отсутствуют данные о влиянии направления вынужденных ультра­звуковых колебаний на формирование оста­точных напряжений в поверхностном слое резьбовых деталей, а также о влия­нии этого параметра на предельную амплитуду цикла.

На основании проведённого анализа поставлена цель работы и определены задачи исследования.

Во второй главе изучены особенности процесса нарезания резьбы с раз­личными по направлению ультразвуковыми колебаниями и представлено обо­рудование, при помощи которого проводились исследования. Также приве­дены методики и резуль­таты экспериментальных исследований по влиянию различных видов ультразвуковых колебаний на точность нарезаемых резьб, шероховатость обработанной поверхности и остаточные напряжения.

Нарезание наружных резьб осуществлялось при помощи специальных ультра­звуковых резьбонарезных устройств, разработанных в Самарском государственном техническом университете доцен­тами В.В. Головкиным и А.Г. Турковым, на образцах из труднообрабатывае­мых материа­лов, а именно: титановых сплавов ВТ3-1, ВТ9, ВТ16, нержавею­щей стали 12Х18Н9Т и высо­копрочной стали 30ХГСА. Из этих материалов изготавливают ответственные резьбовые детали, работающие в условиях пе­ременных нагрузок, в том числе детали летательных аппаратов и их двигате­лей.

При проведении экспериментальных ис­следований были выбраны резьбы М5, М6, М8, которые являются наиболее распространён­ными и обладают зна­чительно меньшими ха­рактеристиками работоспособности.

При нарезании резьб изменялось только направление ультразвуковых колеба­ний, так как многочисленными исследованиями, прове­денными А.И. Марковым, В.Н. Подураевым, М.С. Нерубаем и другими учеными, установ­лено, что для процесса резьбонарезания, кото­рый характеризуется малыми значениями ско­ро­сти резания и глубины срезаемого слоя, оп­тимальная амплитуда колебаний состав­ляет 5 мкм при обработке с частотой ультразвуко­вых колебаний 20±1 кГц.

Нарезание резьбы с осевыми ультра­звуко­выми колебаниями проводилось на сверлиль­ном станке 2А135 (рис. 1). При этом обрабаты­ваемые образцы за­креп­лялись в цанге ультразву­кового уст­ройства, а нарезание резьбы осуществ­ля­лось круглыми плашками, установ­лен­ными в специальной оправке на столе станка. На­пример, нарезание резьбы М8 осуществлялось при скоро­сти резания V=1,2 м/мин по методу «самоза­тягива­ния», так как в данном ультразвуко­вом уст­ройстве имеется возмож­ность теле­скопиче­ского выдвижения пьезокерами­ческого преобразователя с закреп­ленным образ­цом и компенсации несоос­ности резьбонарезного инструмента и обраба­ты­ваемой детали. Обработка осу­ществля­лась с амплитудой ультразвуковых колеба­ний = 5 мкм и частотой f = 20 ±1 кГц.

Нарезание резьбы с радиальными и танген­циальными ультразвуковыми колеба­ниями про­водилось резьбовым резцом, закреплённым в кон­центраторе ультразвуко­вого устрой­ства на токар­ном станке 1К62 (рис. 2). Для об­работки с тангенциаль­ными колеба­ниями применялся специальный резь­бовой резец, при этом ультра­звуко­вое устрой­ство смещалось по высоте, чем обеспечива­лось изменение колебаний с ра­диаль­ных на тангенци­альные. Наре­зание осуществля­лось в несколько пе­реходов с

глубиной резания t = 0,2 мм при по­следнем проходе и скоростью резания V = 0,8-1,2 м/мин. Амплитуда ультра­звуковых колебаний со­ставляла = 5 мкм, а час­тота коле­ба­ний f = 20±1 кГц. Для проведения сопоставитель­ного анализа осуществлялось наре­за­ние резьб без ультразвуко­вых колеба­ний.

Одним из основных требований, предъявляе­мых к резьбовым деталям, яв­ляется точность обра­ботки, поэтому были проведены исследова­ния влияния ультразвуковых колебаний различ­ного направления на точность нарезаемой резьбы. Оценка точности нарезаемой резьбы проводилась путём измерения её среднего диаметра опти­че­ским методом с помощью большого инстру­мен­тального микроскопа БМИ-1ц. В ре­зультате прове­дённых экспериментов установлено, что при нарезании резьбы М86g на образцах из титано­вого сплава ВТ16 разброс значений среднего диа­метра состав­ляет: при обра­ботке с тангенциальными колебаниями – 78 мкм, осевыми – 86 мкм, ра­диальными – 98 мкм, а при обычном резании – 105 мкм. Таким образом, изучение влияния на­правле­ния ультразвуковых колебаний на точность нарезаемых резьб пока­зало, что имеет место повышение точности в пределах одной степени.

Также было изучено влияние направления ультразвуковых колебаний на шеро­ховатость об­работанной поверхности. Измерение параметра шероховато­сти Rz прово­дилось методом светового сечения на боковой поверхности про­филя резьбы М8 на образцах из титанового сплава ВТ16 с по­мощью двой­ного микроскопа МИС-11. По­скольку длина участка измерения была меньше стандарт­ных базовых длин (0,8; 2,5 мм) по ГОСТ 2789-73, то оценка шероховатости проводи­лась в пределах всей длины све­то­вого сечения поверхности бокового профиля. Уста­новлено, что при обработке с тан­генциальными ультразвуко­выми колебаниями зна­чение Rz = 6,3 мкм, с осевыми Rz = 7,3 мкм, с радиальными Rz = 8,1 мкм, а без ультра­звуковых колебаний Rz = 8,2 мкм.

Из представленных результатов следует, что введение в зону резания вы­нужден­ных ультразвуковых колебаний приводит к уменьшению высоты мик­ронеровностей по сравнению с обычной обработкой до 20%. Наилучший ре­зультат достигается при нарезании резьбы с тангенциальными ультразвуко­выми колебаниями. Важным является то, что ухудшения шероховатости по­верхно­сти при обработке с радиаль­ными и осевыми ультразвуко­выми колеба­ниями не происходит.

Одним из важных параметров поверхностного слоя, влияющим на работо­спо­собность резьбовых деталей при переменных нагрузках, являются остаточ­ные напря­жения, поэтому были проведены экспериментальные исследования влияния направ­ления ультразвуковых колебаний на формирование остаточных напряжений.

Для экспериментального определения остаточных напряжений в резьбо­вых деталях малого диаметра была использована специальная методика, раз­работанная С.И. Ивановым и В.Ф. Павловым1, с помощью которой был опреде­лён наиболее важ­ный компонент напряжённого состояния – осевые ос­таточные напряжения, форми­рующиеся в поверхностном слое впадины резьбы. В соответствии с этой методикой удаляются слои материала с половины диа­метра нескольких впадин резьбы и изме­ряются возникающие при этом пе­ре­мещения резьбового образца в результате дефор­маций, возникающих при удале­нии напряжён­ного поверхностного слоя некоторой толщины.

Осевые (zres) остаточные напряжения определялись по следующей фор­муле: