Формирование остаточных напряжений при нарезании резьбы с наложением ультразвуковых колебаний 05. 02. 08 Технология машиностроения 01. 02. 04 Механика деформируемого твёрдого тела

Вид материала

Автореферат

Содержание Общая характеристика работы Цель работы Методы исследования Практическая ценность и реализация результатов работы На защиту выносятся Апробация работы Структура и объём работы Содержание работы Первая глава Во второй главе Е – модуль продольной упругости; μ – коэффициент Пуассона; L В третьей главе В четвёртой главе В пятой главе Основные выводы по работе Основные научные положения и результаты диссертационной работы опублико­ваны в следующих печатных работах

Подобный материал:

• Методика расчёта остаточных напряжений при нарезании резьбы с учётом ультразвуковых, 21.57kb.
• Процедура восполнения напряжений при решении нелинейных краевых задач механики деформируемого, 69.02kb.
• Проблемы машиностроения и надежности машин ран 2001 №2 стр. 3-11, 184.83kb.
• Учебное пособие для студентов механико-математического факультета специальностей «механика»,, 1029.53kb.
• План работы студенческого научного общества «Механика деформируемого твердого тела», 47.14kb.
• Отчет за 2008-2009 гг по гранту ведущих научных школ № нш-2405. 2008 «Методы механики, 20.7kb.
• Рабочая программа дисциплины численные методы и пакеты прикладных программ Программа, 194.24kb.
• Рабочая программа дисциплины философские вопросы естествознания Программа курса основной, 155.12kb.
• Рабочая программа дисциплины современные проблемы механики Программа курса основной, 129.67kb.
• Рабочая программа дисциплины история и методология механики Программа курса основной, 125.9kb.

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 ξ = 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 ξ = 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 М8−6g 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 (σ_z^res) остаточные напряжения определялись по следующей фор­муле:



где X_p(h_j) – коэффициент, учитывающий масштабный фактор; – перемеще­ние образца; h – толщина поверхностного слоя; С – коэффициент, зависящий от мате­риала и длины образца, который определяется по зави­симо­сти:

,

где Е – модуль продольной упругости; μ – коэффициент Пуассона; L – длина образца с удлинителем; l – длина образца; P – шаг резьбы.

По приведённой методике были определены осевые остаточные напряже­ния (σ_z^res), формирующиеся в поверхностном слое впадины резьбы при введе­нии в зону резания радиальных, осевых и тангенциальных ультразвуковых ко­лебаний.

На рис. 3 приведены графики влияния направления ультразвуковых ко­ле­ба­ний на формирование осевых остаточных напряжений во впадинах резьбы М5 при обработке титанового сплава ВТ3-1 (режимы обработки: V = 0,8 м/мин, f = 20 ± 1 кГц, ξ = 5 мкм).




Р и с. 3. Экспериментальные значения распределе­ния осевых остаточных напряжений во впадине резьбы М5 при обработке титанового сплава ВТ3-1:
1 – обычное резание; 2 – резание с тангенци­альными ко­лебаниями; 3 – резание с осевыми коле­баниями; 4 – резание с радиальными колебаниями


Из представленных зависимостей видно, что в поверхностном слое впадин резьбы формируются сжимающие остаточные напряжения. В зависимости от направ­ления ультразвуковых колебаний величина и характер распределения сжимающих остаточных напряжений различны. При обработке с радиаль­ными ультразвуковыми ко­лебаниями около поверхности сжимающие остаточ­ные напряжения равны 460 МПа, а своего максимума (по модулю) 900 МПа достигают на глубине 0,08 мм. Близкий характер распре­деления сжимающих остаточных напряжений получен при нарезании резьб с осевыми ультразвуковыми коле­баниями. В этом случае около по­верхности формиру­ются сжимающие оста­точные напряжения, равные 230 МПа, а своего макси­мума (по модулю) 800 МПа они дости­гают на глубине 0,10-0,12 мм. При обработке с тангенциаль­ными ультра­звуко­выми колебаниями около поверх­ности сжимающие остаточные напряже­ния близки к нулю и достигают мак­симума (по мо­дулю) на глубине 0,08 мм – всего 280 МПа, а при достижении глубины 0,15 мм и да­лее фор­мируются растя­гивающие остаточные на­пряжения. При нарезании резьбы без введения в зону резания ультразву­ковых колеба­ний около по­верхности формируются незначительные сжимающие остаточные на­пряже­ния, рав­ные 80 МПа и достигающие своего максимума (по модулю) 420 МПа на глубине 0,08-0,12 мм. Аналогичные ре­зультаты получены при обработке осталь­ных материа­лов.

Анализируя ранее изложенное, можно сделать вывод, что с точки зрения фор­ми­рования в поверхностном слое благоприятных сжимающих остаточных напря­жений наиболее предпочтительной является обработка с радиальными или осевыми ультра­звуковыми колебаниями.

В третьей главе представлены результаты проведённого теоретико-экс­перимен­тального исследования напряжённо-деформированного состояния по­верхностного слоя впадины резьбы, изготовленной с различными по направ­лению ультра­звуковыми колебаниями.

Для определения окружных (σ_θ^res), осевых (σ_z^res) и радиальных (σ_r^res) оста­точных напряжений и соответствующих остаточных пластических деформаций q_θ, q_z и q_r в по­верхностном слое впадин резьбы была предложена ма­тематическая модель на основе методики, разработанной В.П. Радченко и М.Н. Саушкиным² и позво­ляющей получить распределение остаточных на­пряже­ний в поверхностном слое глад­ких цилиндрических образцов. В данной модели предлагается феноменологиче­ский подход, позво­ляющий определить распределение полей остаточных на­пряжений и пластических деформаций в упрочнённом слое резьбовой де­тали по одной эксперимен­тально измеренной компо­ненте – осевым остаточным напряже­ниям.

При решении данной задачи в математической модели были приняты сле­дующие гипо­тезы:

– напряжения в поверхностно упрочнённом слое впадин резьбы формируются также как в цилиндре радиуса минимального сечения резьбы, при этом в упрочнён­ном слое выполняется условие q_z = q_θ;

– касательными остаточными напряжениями можно пренебречь, так как они яв­ляются малыми по срав­нению с нормальными напряжениями;

– вторичные пластические деформации при сжатии не возникают.

На основании уравнения равновесия



при условии, что эпюра напряжений σ_θ^res является самоуравновешенной, можно выра­зить σ_r^res через σ_θ^res:

.

С учётом введённой гипотезы q_z = q_θ и условия несжимаемости при пла­стиче­ском деформировании q_θ + q_z +q_r = 0 с помощью уравнения со­вместно­сти деформа­ций и закона Гука можно получить дифференциаль­ное уравнение первого порядка относительно q_θ(r), решение которого имеет следующий вид:

.

Теперь можно полностью определить остаточные пластические деформа­ции q_z = q_θ, q_r = -2q_z.

Используя гипотезу плоских сечений , выражая упругую осевую де­формацию по закону Гука и подставляя её в формулу полных осевых деформаций, найдём:

.

Для определения последней величины σ_z^res(r) достаточно найти деформа­цию ε_z⁰, которая находится из условия нулевого суммарного усилия по оси Z:

,

где а – радиус минимального сечения.

Вычислив величину ε_z⁰, можно однозначно определить функцию σ_z^res(r).

Таким образом, задача определения окружных, осевых и радиальных остаточных напряжений в по­верхно­стно упрочнённом слое впадины резьбы решена полностью.

Полученные расчётным путём с помощью разработанной методики остаточ­ные на­пряжения σ_r^res, σ_θ^res, σ_z^res, а также и экспериментальные σ_z^res, сформировав­шиеся в поверх­ностном слое впадины резьбы исследуемых образцов, приведены на рис. 4 и 5.

Из представленных графических зависимостей видно, что в поверхно­ст­ном слое формируются сжимающие окружные и осевые остаточные напря­же­ния, а радиальные остаточные напряжения являются растягивающими. При нарезании резьбы на образ­цах из титановых сплавов ВТ3-1, ВТ9, ВТ16 и стали 30ХГСА без применения ультра­звука максимальные по модулю окружные и осевые остаточные напряжения форми­руются на глубине 0,06-0,09 мм и дос­тигают значений 450-550 МПа. Наложение на инструмент тангенциальных ультразвуковых колебаний приводит к уменьшению сжимающих окружных и осевых остаточных напряжений до значений 300-400 МПа. Введение в зону резания осевых и радиальных ультразвуковых колебаний приводит к уве­личе­нию по мо­дулю значений окружных и осевых остаточных напряжений до ве­личины 900-1000 МПа на глубине залегания 0,10 мм. Следует отметить, что радиаль­ные остаточные напряжения формируются растя­гивающими и на глубине 0,25 мм достигают постоянных значений по­рядка 10-60 МПа. При этом в случае обработки с радиальными или осе­выми ультразвуковыми колебаниями значения радиальных оста­точных напря­жений в 2-3 раза больше, чем при обработке с тангенциальными ультра­звуко­выми колебаниями или без ультра­звука. При обработке нержавеющей стали 12Х18Н9Т рас­пределение остаточных на­пряжений происходит аналогичным образом, од­нако значения остаточных напря­жений в 1,5-2 раза меньше, чем при обработке ти­тановых сплавов.

С целью расширения диапазона нарезаемых резьб были выполнены ис­следова­ния по нарезанию резьбы с радиальными колебаниями на образцах диаметром 20, 30, 50 мм с шагом 0,8; 1; 1,25 мм на рекомендованных режимах. Как показали экспери­менты, формирование осевых остаточных напряжений происходит аналогичным об­разом и они имеют близкие значения по сравнению с приведёнными на рис. 4 и 5.

Проведённый анализ показал, что наложение осевых или радиальных ультразву­ковых колебаний приводит к значительному увеличению окружных и осевых сжимаю­щих остаточных напряжений (в 2-3 раза) по сравнению с обычной обработ­кой или с применением тангенциальных ультразвуковых колебаний. Таким образом, имеется возможность сформировать в процессе обработки без примене­ния до­полнительных упроч­няющих операций благоприятные максимальные сжимающие оста­точные напря­жения и улучшить характери­стики поверхностного слоя резьбовых де­талей.



а



б



в


Р и с. 4. Распределение остаточных напряжений при нарезании резьбы М5 на образ­цах из титанового сплава ВТ3-1 (режимы обработки: V = 0,8 м/мин;

t₁ = 0,24 мм; t₂ = 0,2 мм; S_пр = 0,8 мм/об; f = 20±1 кГц; ξ = 5 мкм):
а – окружных; б – осевых; в – радиальных;
1 – обычное резание; 2 – резание с тангенциальными ко­лебаниями; 3 – резание с осевыми колебаниями; 4 – резание с радиальными колебаниями; пунктирная линия – экспериментальные дан­ные, сплошная линия – расчётные данные



а



б



в

Р и с. 5. Распределение остаточных напряжений при нарезании резьбы М6 на образ­цах из стали 12Х18Н9Т (режимы обработки: V = 1 м/мин; t₁ = 0,34 мм;

t₂ = 0,2 мм; S_пр = 1 мм/об; f = 20±1 кГц; ξ = 5 мкм):

а – окружных; б – осевых; в – радиальных;
1 – обычное резание; 2 – резание с тангенциальными колеба­ниями; 3 – резание с осевыми колебаниями; 4 – резание с радиальными колеба­ниями;
пунктирная линия – экспериментальные дан­ные, сплошная линия – расчётные данные

В четвёртой главе приведены исследования влияния остаточных напряжений, полученных при ультразвуковом резьбонарезании, на предельную амплитуду цикла (нагружения) резьбовых деталей. Так как при пе­ременных нагрузках резьбовые детали работают при аси­мметрич­ном цикле со сред­ними растягивающими напряже­ниями, то работоспо­собность резь­бовых деталей можно оценить по предельной амплитуде цикла, на которую сущест­венное влияние оказывают величина и характер распреде­ления остаточных напряже­ний в поверхно­стном слое.

На основании проведённых ис­следований формирования остаточных на­пряже­ний в поверхностном слое резьбовых деталей проведена сравнительная оценка (по специальной методике)³ влияния различных по направлению ультра­звуковых колеба­ний на изменение предельной амплитуды цикла обра­ботанных деталей.

Приращение предельной амплитуды цикла за счёт остаточных напря­жений во впадинах резьбы при среднем напряжении определяется зависимостью

,

где – коэффициент влияния упрочнения на предельную ам­плитуду по кри­терию среднеинтегральных остаточных напряжений при среднем напряже­нии σ_т;  – сред­неинтегральные остаточные напряжения, определяемые по формуле

,

где – осевые остаточные напряжения резьбовой детали в опасном сече­нии; – относительное расстояние от поверхности впадин резьбы до текущего слоя, выраженное в долях , где − глубина нераспространяю­щейся усталостной трещины. Следует отметить, что критерий учитывает влияние на предельную ам­плитуду цикла как размера поперечного сечения де­тали, так и распределения оста­точных напряжений в опасном сечении.

Коэффициент при σ_т >  рассчитывается по формуле

,

где – коэф­фициент влияния остаточных напряжений на предельную ампли­туду цикла при симметричном цикле нагружения; – сопротивление разрыву материала; – среднее напряжение цикла, при котором начинается локальная текучесть, опреде­ляемое по зависимости

,

где K_σ – эффективный коэф­фициент концентрации напря­жений и α_σ – теорети­ческий коэффициент концентрации напряжений, которые можно определить из уравнений:





Результаты оценки влия­ния остаточных напряжений на предельную ам­плитуду цикла (нагружения) резьбовых дета­лей, изготовленных при введе­нии в зону резания различных по направлению ультразвуко­вых колебаний, пред­ставлены на диаграм­мах (рис. 6).

Анализ приведённых дан­ных показывает, что предельная амплитуда цикла изменя­ется пропорционально величине остаточных напряжений и, следо­ва­тельно, изменяя направ­ление ультразвуковых колебаний при изготовлении резьбы, можно влиять на пре­дельную ампли­туду цикла. Так, при нарезании резьбы с осевыми или радиаль­ными ульт­развуко­выми колеба­ниями предельная амплитуда цикла увеличивается на 70-80% по сравнению с обычным резанием или обработкой с тангенциальными колебаниями.

Таким образом, применяя осевые или радиальные ультразвуковые колебания при резьбонарезании, можно значительно увеличить предельную амплитуду цикла (нагружения) резьбовых деталей и в целом резьбовых соединений, рабо­тающих при переменных нагрузках.

В пятой главе представлена практическая реализация результатов иссле­дова­ния. В результате проведённых исследований установлено, что при нарезании резьбы с радиальными или осевыми ультразвуковыми колебаниями в поверхностном слое впадин резьбы формируются сжимающие остаточные напряжения, имеющие значе­ния в 1,5-2 раза больше, чем при обычной обработке или обработке с тангенциаль­ными колебаниями. С учетом выявленных закономерностей формирования поверхностного слоя при ультразвуковом резьбонарезании был разработан и реализо­ван способ нарезания резьбы (патент РФ № 2404031), особенностью которого является то, что для получения во впадинах резьбы максимальных сжимающих остаточных напряжений окончательную обработку производят с радиальными или осевыми ультразвуковыми колебаниями. В результате происходит повышение предельной амплитуды цикла резьбовых деталей. Реа­лизация предложенного способа нарезания резьбы с ультразвуковыми колебаниями осуществляется на универсальных сверлильных или токарных станках при помощи ультразвукового резьбонарезного устройства, подклю­чённого к ультразвуковому генератору. При нарезании резьбы резцом, оснащенным твердосплавной пластиной ВК8, с тангенциальными или радиальными ультразвуковыми колебаниями ультразвуковое устройство устанавли­вается в резцедержатель и нарезание резьбы осуществляется в несколько переходов. Например, нарезание резьбы М6 с нало­жением на резец радиальных ультра­звуковых колебаний осуществлялось при следующих технологических режимах: f = 20±1 кГц; ξ = 5 мкм; V = 1,0 м/мин; t₁ = 0,34 мм, t₂ = 0,2 мм. Нарезание резьбы с осевыми ультра­звуковыми колебаниями осуществля­лось круглыми плашками соответствующего типо­размера с применением спе­циального ультразвукового устройства, которое устанавли­валось в шпиндель сверлильного станка.

Реализация предложенного способа нарезания резьбы позволяет увели­чить пре­дельную амплитуду цикла (нагружения) резьбовых деталей, работаю­щих при пере­менных нагрузках, без применения дополнительных упрочняю­щих операций.

В приложении диссертации представлены акты внедрения полученных результатов в на­учно-исследовательскую деятельность, в учебный процесс, а также акт опытно-промышлен­ной проверки предложенного способа обработки на предприятии ОАО «Волгабурмаш».

Основные выводы по работе

По результатам проведённых исследований сделаны следующие выводы:

1. Разработан способ нарезания резьбы с наложением вынужденных ультразвуковых колебаний (патент РФ № 2404031), отличительной особенностью которого является то, что для повышения работоспособности по предельной амплитуде цикла (нагруже­ния) резьбовых деталей за счёт формирования сжи­мающих остаточных напряжений в поверхностном слое впадин резьбы окон­чательную обработку следует производить с радиальными или осевыми ульт­развуковыми колебаниями.

2. Разработана математическая модель и на её основе методика расчёта для опреде­ления полного (трёхмерного) распределения полей остаточ­ных напряже­ний в поверхностном слое впадины резьбы с целью дальнейшего прогнозирова­ния работоспособ­ности резьбовых деталей.

3. 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.

4. Проведены исследования влияний остаточных напряжений, полученных при ультразвуковом резьбонарезании, на предельную амплитуду цикла (нагруже­ния) резьбовых деталей. Установлено, что при обработке с радиальными или осе­выми ультразвуковыми колебаниями предель­ная амплитуда цикла в 1,7-1,8 раза больше, чем при обработке с тангенциальными ультразвуковыми колебаниями или без ультразвука.

5. Разработаны научно обоснованные рекомендации по эффективному ис­пользова­нию вынужденных ультразвуковых колебаний различного направления при нарезании резьбы в труднообрабатываемых и высокопрочных материалах, позволяющие сформировать в поверх­ностном слое максимальные сжимающие остаточные напряжения.

Основные научные положения и результаты диссертационной работы опублико­ваны в следующих печатных работах:

Публикации в научных изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:

1. Ромашкина, О.В. Исследования остаточных напряжений при ультразву­ко­вом резьбонарезании [текст] / О.В. Ромашкина, В.В. Головкин // Известия Волгоградского гос. техн. ун-та. Сер. Прогрессивные технологии в машино­строении. – 2008. – №9 (47) (Вып. №4). – С. 13-15.
   
1. Ромашкина, О.В. Оптимизация технологических параметров при ульт­ра­звуко­вом резьбонарезании [текст] / О.В. Ромашкина, В.В. Головкин // Вест­ник Самарского гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. – 2009. – №1 (23). – С. 111-119.
   
2. Ромашкина, О.В. Повышение усталостной прочности деталей при ульт­ра­звуко­вом резьбонарезании [текст] / О.В. Ромашкина, В.В. Головкин, В.Г. Шуваев, И.В. Шуваев // Сборка в машиностроении, приборостроении. – М.: Машино­строение, 2009. – №7. – С. 33-39.
   
3. Ромашкина, О.В. Исследование влияния параметров ультразвуковой обра­ботки на формирование остаточных напряжений при нарезании наружных резьб малого диаметра [текст] / О.В. Ромашкина // Вестник Самарского гос. техн. ун-та. Сер. Тех­нические науки. – 2009. – №2 (24). – С. 113-119.
   
4. Ромашкина, О.В. Формирование поверхностного слоя при ультразвуко­вом резь­бонарезании [текст] / О.В. Ромашкина, В.В. Головкин // Вестник Южно-Ураль­ского гос. ун-та. Сер. Машиностроение. – 2010. – № 29 (205) (Вып. №16). – С. 71-75.
   
5. Ромашкина, О.В. Оценка влияния ультразвука при изготовлении резьбо­вых де­талей на сопротивление усталости / О.В. Ромашкина, В.В. Головкин, В.А. Кирпичев, О.В. Каранаева // Известия вузов. Поволжский регион. Сер. Техни­ческие науки. – 2010. – №4 (16). – С. 142-149.
   
6. Пат. 2404031 Российская Федерация, МПК В23G1/02, B23G9/00. Спо­соб наре­зания резьбы / Головкин В.В., Ромашкина О.В., Шуваев В.Г., Шуваев И.В.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Самарский гос. техн. ун-т. – № 2008124066/02; заявл. 11.06.2008; опубл. 20.11.2010. – Бюл. №32. – 5 с.
   

Статьи и материалы конференций, опубликованные в других научных из­даниях:

8. Ромашкина, О.В. Технологическое обеспечение качества поверхност­ного слоя резьбовых деталей при ультразвуковом резьбонарезании [текст] / О.В. Ромашкина, В.В. Головкин // Всероссийская научно-техническая интер­нет-конференция с между­народным участием «Высокие технологии в маши­ностроении» [материалы]. – Самара: Самарский гос. техн. ун-т, 2007. – С. 39-41.
   
9. Ромашкина, О.В. Технологическое обеспечение качества резьбовых дета­лей пу­тём применения ультразвука [текст] / О.В. Ромашкина, В.В. Головкин // Шестая международная научно-техническая конференция «Про­блема качества машин и их конкурентоспособность» [материалы]. – Брянск: Брянский гос. техн. ун-т, 2008. – С. 289-290.
   
10. Ромашкина, О.В. Определение напряжённо-деформированного со­стоя­ния по­верхностного слоя при нарезании резьб малого диаметра с учетом влия­ния ультра­звука [текст] / О.В. Ромашкина, В.В. Головкин // Пятая всерос­сий­ская научная кон­ференция с международным участием «Математическое мо­делирование и краевые задачи» [материалы]. – Самара: Самарский гос. техн. ун-т, 2008. – С. 107-111.
    
11. Ромашкина, О.В. Прогрессивное оборудование для ультразвукового резьбона­резания [текст] / О.В. Ромашкина, В.В. Головкин // Всероссийская на­учно-техническая интернет-конференция с международным участием «Высо­кие техноло­гии в машиностроении» [материалы]. – Самара: Самарский гос. техн. ун-т, 2008. – С. 99-102.
    
12. Ромашкина, О.В. Формирование полей остаточных напряжений при наре­за­нии наружных резьб с наложением на инструмент ультразвуковых коле­баний [текст] / О.В. Ромашкина // Всероссийская научно-техническая интер­нет-конференция с меж­дународным участием «Высокие технологии в маши­ностроении» [материалы]. – Самара: Самарский гос. техн. ун-т, 2008. – С. 55-58.
    
13. Ромашкина, О.В. Нарезание резьб с наложением на инструмент ульт­ра­звуко­вых колебаний [текст] / О.В. Ромашкина, В.В. Головкин // Всероссий­ская научно-тех­ническая конференция с международным участием «Машино­строи­тельные техноло­гии» [материалы]. – М.: Московский гос. техн. ун-т им. Баумана, 2009. – С. 37-39.
    
14. Ромашкина, О.В. Исследование влияния вынужденных ультразвуко­вых колеба­ний на формирование остаточных напряжений при нарезании на­ружных резьб малого диаметра [текст] / О.В. Ромашкина, В.В. Головкин, М.В. Дружинина, В.А. Смыслов // Международная научно-техническая конфе­ренция «Прочность мате­риалов и элементов конструкций» [тезисы] / Отв. ред. В.Т. Трощенко. – Киев: Ин-т проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Украины, 2010. – С. 98-100.
    
15. Ромашкина, О.В. Исследование влияния вынужденных ультразвуковых колеба­ний на шероховатость обработанной поверхности и точность нарезае­мой резьбы [текст] / О.В. Ромашкина, В.В. Головкин, М.В. Дружинина, В.Н. Трусов // Вестник Тульского гос. ун-та. Сер. Актуальные вопросы механики. – 2011. – Вып. №7. – С. 40-45.
    

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.02 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Протокол №20 от 02.11.2011.

Формат 60х84 1/32. Бумага офсетная.

Заказ №1081. Тираж 100 экз.

________________________________________________________________


Отпечатано в типографии

Самарского государственного технического университета

443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Корпус № 8