CC BY
11УДК 621.9.048.6.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ
ОБРАБОТКИ НА ФОРМИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
ПРИ НАРЕЗАНИИ НАРУЖНЫХ РЕЗЬБ МАЛОГО ДИАМЕТРА
О. В. Ромашкина1
Самарский государственный технический университет.
443100, Самара, ул. Молодогвардейская. 244
Представлены результаты исследования влияния направления ультразвуковых колебаний на формирование остаточных напряжений при ультразвуковом резьбонарезании.
Ключевые слова: ультразвуковая обработка, ультразвуковые колебания, нарезание
резьбы, сжимающие остаточные напряжения.
Эксплуатационные характеристики резьбовых соединений в значительной степени зависят от качества поверхностного слоя, формируемого в процессе изготовления детали. Качество поверхностного слоя характеризуется шероховатостью поверхности, степенью и глубиной деформационного упрочнения, величиной и знаком остаточных напряжений, а также физическими параметрами, связанными с искажением кристаллической решётки, плотностью дислокаций и другими.
Поскольку большинство резьбовых соединений работает в условиях знакопеременных нагрузок, первостепенное и доминирующее влияние на работоспособность резьбы оказывают остаточные напряжения.
Для реализации высокоэффективного ультразвукового метода нарезания резьб разработана широкая гамма ультразвуковых резьбонарезных устройств, оснащенных пьезокерамическим преобразователем [1]. Применение пьезокерамических преобразователей позволяет значительно уменьшить габариты и массу ультразвуковых устройств, а также исключить необходимость водяного охлаждения преобразователя.
Ультразвуковое устройство, приведенное на рис. I, состоит из корпуса с коническим хвостовиком 8, который жёстко связан с пьезокерамическим преобразователем, включающим концентратор 3, пьезокерамические пластины 4 и частотопонижающую накладку 5. С помощью шпильки 9 детали 3, 4, 6 стягиваются в пакет и образуют пьезокерамический преобразователь. Электрические сигналы подаются от ультразвукового генератора на токосъёмные кольца через щёткодержатель 6. Для закрепления устройства на резцедержателе была изготовлена специальная державка. С помощью державки имеется возможность перемещения устройства по высоте. Для нарезания резьбы с тангенциальными колебаниями устанавливали другой резец и смещали его по высоте. Сменные резцы (или другой инструмент) 1 устанавливаются в цанге 2, которая обеспечивает хороший акустический контакт концентратора и инструмента. С помощью данного ультразвукового устройства осуществлялось нарезание резьб МЗ-М12 на шпильках с наложением на резьбовой резец тангенциальных или радиальных колебаний.
Ультразвуковое устройство для нарезания резьб М4-М12 круглыми плашками с осевыми колебаниями представлено на рис. 2. Приведенное ультразвуковое устройство содержит пьезокерамический преобразователь с установленной в гайке 1 резь-
1 Ромашкина Оксана Викторовна - ассистент.
Рис. 1.Ультразвуковое устройство для нарезания резьбы резцом
бонарезной плашкой. Пьезокерамический преобразователь жёстко связан с валом 3, установленным с возможностью телескопического выдвижения в корпусе 7. Корпус 7 имеет конический хвостовик для установки устройства в заднюю бабку токарного станка. С целью исключения заклинивания вала 3 при его телескопическом выдвижении передача крутящего момента осуществляется с помощью шарикоподшипников 13, установленных в продольных пазах корпуса 7 и жёстко связанных с валом 3. Данное устройство позволяет нарезать резьбу по способу "самозатягивания", тем самым исключается погрешность подачи и шага нарезаемых резьб. Настройка на различные диаметры нарезаемых резьб осуществляется путём смены гайки 1 с установленной в ней резьбонарезной плашкой.
При помощи данных устройств проводилось нарезание резьб при различных ультразвуковых технологических параметрах и при сообщении резьбообразующему инструменту радиальных, осевых и тангенциальных колебаний. Для сопоставления результатов выполнялось также нарезание резьб без сообщения инструменту ультразвуковых колебаний.
Нарезание резьб осуществлялось на прутках, изготовленных из различных материалов, а именно титановых сплавов ВТЗ-1, ВТ9, ВТ 16, нержавеющей стали 12Х18Н9 и высокопрочной стали ЗОХГСА. Для проведения исследований была выбрана резьба Мб, так как она является наиболее распространенной и обладает значи-
тельно меньшими характеристиками работоспособности, чем резьбы больших диаметров.
Р и с. 2. Ультразвуковое устройство для нарезания резьб М4-М12 круглыми плашками
Остаточные напряжения в резьбе определялись по специальной методике [2].
На рис. 3 приведены графики влияния направления ультразвуковых колебаний на формирование осевых остаточных напряжений ог в поверхностном слое (глубина поверхностного слоя а, мм) впадин резьбы М6х1 при обработке титанового сплава ВТЗ-1. (Режимы обработки: скорость резания У=0,6 м/мин, частота ультразвуковых колебаний Г = 20±1 кГц, амплитуда ультразвуковых колебаний - 5 мкм, технологическая среда - сульфофрезол.)
Из представленных графиков видно, что в данном случае в подповерхностном слое формируются сжимающие остаточные напряжения. Характер распределения сжимающих остаточных напряжений значительно различается в зависимости от вида ультразвуковых колебаний. Так, при обработке с радиальными ультразвуковыми колебаниями формируются максимальные по величине сжимающие остаточные напряжения, как на поверхности (400 МПа), так и в подповерхностном слое - на глубине 0,08 мм они достигают максимальных значений около 900 МПа. Наиболее
близкий характер распределения сжимающих остаточных напряжений получен при нарезании резьб с осевыми ультразвуковыми колебаниями. В этом случае на поверхности формируются сжимающие остаточные напряжения, равные 230 МПа, а своего максимума (800 МПа) они достигают на глубине 0,10-0,12 мм.
ао2 ам аоб оов о.ю щг а к ак о.т аго агг
напряжений во впадинах резьбы М6х1 при обработке титанового сплава ВТЗ-1:
1 - обычное резание; 2 - резание с тангенциальными колебаниями:
3 — резание с осевыми колебаниями; 4 - резание с радиальными колебаниями
При обработке с тангенциальными ультразвуковыми колебаниями на поверхности сжимающие остаточные напряжения близки к нулю и достигают своего максимума на глубине 0,08 мм - всего 280 МПа, а при достижении глубины 0,15 мм снова равны нулю и меняют свой знак на противоположный, т.е. меняются на растягивающие остаточные напряжения.
Для проведения сопоставительного анализа осуществлялось также нарезание резьб без введения в зону резания ультразвуковых колебаний. В этом случае на поверхности формируются незначительные сжимающие остаточные напряжения (80 МПа), достигающие своего подповерхностного максимума (420 МПа) на глубине 0,08-0,12 мм.
Анализируя вышеизложенное, 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.
На рис. 4 приведены графики влияния направления ультразвуковых колебаний на формирование остаточных напряжений во впадинах резьбы М6х1 при обработке титанового сплава ВТ9. (Режимы обработки: скорость резания V = 0,6 м/мин, частота ультразвуковых колебаний Г = 20 ± 1 кГц, амплитуда ультразвуковых колебаний -5 мкм, технологическая среда-сульфофрезол.)
Анализируя представленные на рис. 4 результаты исследования, можно сделать следующие выводы. В данном случае формируются большие по значению сжимающие остаточные напряжения уже на глубине 0,06 мм — от 400 МПа до 1100 МПа, причем смена знака на противоположный происходит на глубине залегания от 0,14 до 0,22 мм. При этом максимальные сжимающие остаточные напряжения также формируются при обработке с радиальными и осевыми ультразвуковыми колеба-
ниями, а наложение на инструмент тангенциальных колебаний приводит к их уменьшению, причем до значений порядка 400 МПа.
002 ОСИ 0.06 О.Ов 0.10 012 О К 0.16 0.18 020 022
напряжений во впадинах резьбы МбхІ при обработке титанового сплава ВТ9:
I - обычное резание; 2 - резание с тангенциальными колебаниями;
3 - резание с осевыми колебаниями; 4 - резание с радиальными колебаниями
На рис. 5 приведены графики влияния направления ультразвуковых колебаний на формирование остаточных напряжений во впадинах резьбы М6х1 при обработке нержавеющей стали 12Х18Н9. (Режимы обработки: скорость резания У=0,6 м/мин, частота ультразвуковых колебаний {= 20±1 кГц, амплитуда ультразвуковых колебаний - 5 мкм, технологическая среда - сульфофрезол.)
002 О.СИ 0.06 008 0.10 0.12 ОН 016 0.18 020 022
напряжений во впадинах резьбы М6х1 при обработке нержавеющей стали 12Х18Н9: 1 - обычное резание; 2 - резание с тангенциальными колебаниями;
3 - резание с осевыми колебаниями; 4 - резание с радиальными колебаниями.
осевых или радиальных ультразвуковых колебаний позволило увеличить (по модулю) сжимающие остаточные напряжения до значений порядка 900-1000 МПа, а также глубину их залегания до 0,21-0,23 мм. Поэтому в данном случае наиболее предпочтительной также является обработка с осевыми или радиальными ультразвуковыми колебаниями.
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы. Наложение на инструмент тангенциальных ультразвуковых колебаний приводит к снижению (по модулю) значений сжимающих остаточных напряжений. В первую очередь это связано с тем, что тангенциальные ультразвуковые колебания изменяют процесс стружкообразования, интенсифицируют дислокационные процессы и уменьшают силы резания. Введение в зону резания осевых или радиальных ультразвуковых колебаний при нарезании резьбы позволяет значительно увеличить (по модулю) сжимающие остаточные напряжения. В этом случае увеличение сжимающих остаточных напряжений связано с упрочняющим эффектом. Таким образом, для формирования в поверхностном слое благоприятных максимальных остаточных сжимающих напряжений при ультразвуковом резьбонарезании следует производить окончательную обработку с радиальными или осевыми ультразвуковыми колебаниями.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Повышение работоспособности резьбовых соединений путем применения ультразвука при обработке и сборке: монография / Б.Л. Штриков, В.В. Головкин. В.Г. Шуваев, И.В. Шуваев. - М.: Машиностроение, 2009. - 125 с.
2. Остаточные напряжения и сопротивление усталости упрочненных деталей с концентраторами напряжений: монография / В.Ф.Павлов, В.А. Кирпичев, В.Б. Иванов - Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2008. - 64 с.
Статья поступила в редакцию 30 марта 2009 г.
UDC 621.9.048.6.
RESEARCH OF INFLUENCE OF PARAMETERS OF ULTRASONIC TREATMENT ON FORMING OF REMAINING TENSIONS AT CUTTING OF NARUZHNIKH REZ'B SMALL DIAMETER
Oksana V. Romashkina1
Samara State Technical University,
244, Molodogvardeyskaya str.. Samara, 443100
The results of research of influence of direction of ultrasonic vibrations are presented on forming of remaining tensions at ultrasonic rez'bonarezani.
Key words: ultrasonic treatment, ultrasonic vibrations, cutting of screw-thread, squeezing remaining tensions
1 Oksana V, Romashkina — Assistant.
осевых или радиальных ультразвуковых колебаний позволило увеличить (по модулю) сжимающие остаточные напряжения до значений порядка 900-1000 МПа, а также глубину их залегания до 0,21-0,23 мм. Поэтому в данном случае наиболее предпочтительной также является обработка с осевыми или радиальными ультразвуковыми колебаниями.
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы. Наложение на инструмент тангенциальных ультразвуковых колебаний приводит к снижению (по модулю) значений сжимающих остаточных напряжений. В первую очередь это связано с тем, что тангенциальные ультразвуковые колебания изменяют процесс стружкообразования, интенсифицируют дислокационные процессы и уменьшают силы резания. Введение в зону резания осевых или радиальных ультразвуковых колебаний при нарезании резьбы позволяет значительно увеличить (по модулю) сжимающие остаточные напряжения. В этом случае увеличение сжимающих остаточных напряжений связано с упрочняющим эффектом. Таким образом, для формирования в поверхностном слое благоприятных максимальных остаточных сжимающих напряжений при ультразвуковом резьбонарезании следует производить окончательную обработку с радиальными или осевыми ультразвуковыми колебаниями.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Повышение работоспособности резьбовых соединений путем применения ультразвука при обработке и сборке: монография / Б.Л. Штриков, В.В. Головкин, В.Г. Шуваев, И.В. Шуваев. - М.: Машиностроение, 2009. - 125 с.
2. Остаточные напряжения и сопротивление усталости упрочненных деталей с концентраторами напряжений: монография / В.Ф.Павлов, В.А. Кирпичев. В.Б. Иванов - Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2008. - 64 с.
Статья поступила в редакцию 30 марта 2009 г.
UDC 621.9.048.6.
RESEARCH OF INFLUENCE OF PARAMETERS OF ULTRASONIC TREATMENT ON FORMING OF REMAINING TENSIONS AT CUTTING OF NARUZHNIKH REZ'B SMALL DIAMETER
Oksana V. Romashkina1
Samara State Technical University,
244, Molodogvardeyskaya str„ Samara, 443100
The results of research of influence of direction of ultrasonic vibrations are presented on forming of remaining tensions at ultrasonic rez'bonarezani.
Key words: ultrasonic treatment, ultrasonic vibrations, cutting of screw-thread, squeezing remaining tensions
1 Oksana V. Romashkina - Assistant.
