Оптимизация технологических параметров при ультразвуковом резьбонарезании Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ВЕСТН. САМАЯ ГОС. ТЕХН. УН-ТА. СЕР. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2009. № I (23)

Машиностроение

УДК 621.9.048.6

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОМ РЕЗЬБОНАРЕЗАНИИ

В. В. Головкин, O.E. Ромашкина1

Самарский государственный технический университет, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244.

Показана возможность повышения работоспособности ответственных резьбовых деталей путем формирования в поверхностном слое благоприятных сжимающих напряжений за счет оптимизации технологических параметров ультразвуковой обработки.

Ключевые слова; ультразвуковая обработка, остаточные напряжения, нарезание резьбы, концентрация напряжений, упруго-пластическое состояние поверхностного слоя.

Технический прогресс в машиностроении в значительной степени зависит от дальнейшего совершенствования процессов механической обработки, определяющих в большинстве случаев трудоемкость изготовления деталей машин. Перспективным направлением повышения эффективности механической обработки является разработка и внедрение качественно новых технологий, в том числе основанных на комбинированном воздействии нескольких видов энергии или совмещении различных способов ее подвода. Наряду с другими методами физико-химической обработки все более широкое распространение находят и различные процессы ультразвуковой технологии, в том числе обработка с наложением на инструмент ультразвуковых колебаний. Как показали многочисленные исследования [1], применение ультразвука при механической обработке позволяет существенно повысить производительность процесса, стойкость инструмента, а также качество и надежность изделий.

Одним из наиболее эффективных направлений применения ультразвука при механической обработке является процесс нарезания резьб в труднообрабатываемых материалах. Установлено, что применение ультразвука при резьбонарезании позволяет механизировать процесс обработки и сократить ручной труд, повысить производительность труда и работоспособность инструмента, улучшить качественные характеристики поверхностного слоя, точность нарезания резьб и другие.

Обычно при проведении исследований первостепенное значение уделяют повышению производительности и стойкости инструмента, а возможное увеличение ресурса работы резьбовых деталей является второстепенным. Между тем у резьбовых деталей впадина резьбы является концентратором напряжений, и влияние технологических параметров ультразвуковой обработки на ресурс работы, определяемый сопротивлением усталости, может оказаться в ряде случаев значительным. Из-

1 Головкин Валерий Викторович, кандидат технических наук, доцент. Ромашкина Оксана Викторовна, ассистент.

вестно, что остаточные напряжения являются определяющим фактором, влияющим на сопротивление усталости, поэтому определение напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя резьбовых деталей представляет значительный научный и практический интерес.

Определение напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя производилось на базе теории малых упруго-пластических деформаций и работ Б.А. Кравченко по исследованию процесса формирования поверхности деталей при механической обработке лезвийным инструментом. Формирование остаточных напряжений при механической обработке лезвийным инструментом в основном определяется действием сил резания. Передняя поверхность оказывает свое воздействие на поверхностные слои металла через промежуточное звено - стружку. При этом стружка претерпевает большие пластические деформации и значительно упрочняется, что позволяет рассматривать ее как абсолютно жесткое тело. В связи с этим равнодействующая сила по передней поверхности инструмента может быть приложена к плоскости сдвига в виде равномерно распределенной нагрузки. В связи с тем, что процесс лезвийной обработки материалов при нарезании резьбы характеризуется малыми толщинами среза, возможна дальнейшая схематизация, как показано на рис. 1. В этом случае действие сил по передней и задней поверхностям приведено к одному направлению.

Определить упругие напряжения, возникающие в поверхностном слое от действия сил резания, можно с помощью зависимостей, представленных в работе [2]:

=-с,[2(е2 +01)+(8ш2е2 — яш 29])],

^=-с1[2(е2+61)-(5т292 -$¡1120!)], т^У = С[[со$2б2 -соз201^

где

с\ =

2л соз со'

Ш - АГ0 Л а2+ ДГ0

0[ = о — ап^--, 02 =со +

ДХп

ЛЛ'л

д - удельная нагрузка:

9 ВОГ + а2У

В процессе обработки у вершины резца возникает момент, который можно определить следующим образом:

м=шп 8"1(<Р-Г)

где К — равнодействующая внешних сил; /„ - длина контакта стружки с передней поверхностью резца; со - угол действия силы Л ; у - передний угол инструмента.

Напряженное поле в поверхностном слое детали, вызванное моментом силы И, определяется следующим образом:

л/ _ 2Л&ш2у

м _ 2Л/С052 214/ лВг2

где у - угол между направлением действия силы и радиус-вектором, проведенным

из рассматриваемой точки к вершине резца:

ЛК0 Дл0

г-расстояние до рассматриваемой точки:

г = 7^0 + -

Рис. 1. Принятая схема силового нагружения при определении упругих напряжений

в точке "И"

Значения ДУ0 и ДЛГ0 берутся со своими знаками. Положительное значение углов 81 и 02 - против часовой стрелки.

С использованием принципа суперпозиции с учетом принятых обозначений составляющие напряжений в координатной системе ХУ запишутся в следующем виде:

а*е ~ах

_ „И . . < = + >

х =тЛ + *тм

Процесс формирования стружки связан с прочностными характеристиками обрабатываемого материала и с его кристаллическим строением. Для обработки титановых сплавов характерно элементное строение стружки. Возникновение при этом опережающей трещины сопровождается резким снижением момента у вершины резца. Поэтому был введен корректирующий коэффициент К:

От

К= 1--т~,

где ат — предел текучести, <хв - временное сопротивление обрабатываемого материала.

Имея данные об упругих напряжениях в поверхностном слое изделия при резании, можно выделить область, где материал перейдет в упруго-пластическое состояние. Согласно условию пластичности, упруго-пластические деформации возникнут в точках, где интенсивность напряжений больше предела текучести обрабатываемого материала:

72 I-

=^л/(ст1 "а2>2 +(°2 -Оз)2 +(сг3 -О,)2 >Ог.

Для условий плоской деформации имеем:

<\э =

2 2 ст2 =ц(ст, +о3); е2 - О, здесь р. = 0,3 - коэффициент Пуассона для упругой области. Для случая плосконапряженного состояния ст2 =0. Интенсивность деформации составит величину

СГу

Имея данные об интенсивности деформации, можно определить главные деформации:

Б[ =£/С08Ре; ■е2=Е,-зт(|Зе -30°); е3 = -е I соб(60 0 - ре ), где Ре~ угол вида деформации, равный углу вида напряжения р0, определяемого следующим образом:

соэЗр

27

+ Рхуг хахуха1 + Р

Гидростатическое давление Р находим по формуле

Р = -

Остаточная интенсивность деформации

где Еф- интенсивность деформации разгрузки, может быть определена, если известны напряжения ст*:

О/ = А- 8™; е1р = ~.

Главные остаточные деформации в общем случае составят величины:

Е1 .о =(£, ' £2.0 =(£; -Б(р)8т(рв -30°);

ез.о =~(е/ -£,р)соз(60° -ра).

Направление оси с наибольшим удлинением в координатной системе Х0У„ для деформированной частицы подповерхностного слоя составит

для случая

'уъ

> оху — Т1 =ш — А,,

где

tg2A.=-

2т

xyL

СТХЕ ^ VE

На основании известных положений остаточные деформации в тангенциальном и осевом направлениях:

J^t.o = 0cos2r| + е3 0 sin2 ti;

>0.0

= е

2.0-

Остаточные напряжения задаются соотношениями

г _ ет.О +^0.0 р.

гт.О ---Г~~2-

1-И

а0.0

1-ц2

Знак остаточных напряжений определяется конкурирующим взаимодействием сил и момента, действующих на режущих поверхностях инструмента.

С помощью вышеприведенной методики было получено распределение осевых остаточных напряжений (сост) по глубине поверхностного слоя (а) при свободном резании. Кроме того, на рис. 2 также приведены экспериментальные данные, показывающие влияние технологии изготовления на формирование осевых остаточных напряжений в поверхностном слое резьбовых деталей, а именно во впадине резьбы.

Сравнение расчетных и экспериментальных данных (см, рис. 2) показывает достаточное совпадение результатов при свободном резании. В резьбе за счет концентрации напряжений остаточные сжимающие напряжения увеличиваются на 20-30%. Поэтому при определении остаточных напряжений во впадине резьбы необходимо учитывать коэффициент концентрации напряжений К, примерно равный 1,2-1,3.

d им

\ (F ист {иг&ят cSóSofcoe резсше сбэ&псе реэвиг

Р и с. 2. Влияние технологии изготовления на остаточные напряжения: ¡^ - обработка с тангенциальными ультразвуковыми колебаниями; £,0 — обработка с осевыми ультразвуковыми колебаниями; ^ - обработка с радиальными ультразвуковыми колебаниями

При обработке с тангенциальными колебаниями остаточные напряжения в сравнении с обычным резанием, наоборот, снижаются. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, ультразвуковые колебания интенсифицируют дислокационные процессы, и, во-вторых, изменяется процесс стружкообразования, увеличивается эле-ментность. Рост остаточных напряжений при резании с радиальными ультразвуковыми колебаниями связан с упрочняющим эффектом.

Экспериментальные исследования проводились на образцах из титанового сплава ВТ-16 при нарезании наружных резьб М6х1. Нарезание резьб проводилось при различных технологических параметрах и при сообщении резьбообразующему инструменту радиальных, осевых и тангенциальных колебаний.

Остаточные напряжения определялись во впадинах резьбы, так как они являются концентраторами напряжений и определяют несущую способность резьбовых деталей, Определение значений остаточных напряжений производилось по специальной методике [3], в основу которой положено широко применяющееся удаление химическим травлением части поверхности исследуемого образца и измерения при этом возникающих деформаций. Остаточные напряжения определялись по следующей формуле:

фС '} [ ¿а .

где а - меридиональные остаточные напряжения, С - коэффициент, зависящий от материала и геометрических параметров образца; /(а) - перемещение образца; а - толщина слоя, удаленного травлением; Хр(а)~ коэффициент, зависящий от геометрических параметров резьбы, а именно ее внутреннего диаметра и радиуса впадины.

Коэффициент С определялся следующим образом:

Е

с = ■

(1+цХ1-2ц)

Р 2 р

где Е — модуль продольной упругости; ¡л - коэффициент Пуассона; I — длина образца; I - длина участка травления; Р — шаг резьбы.

Результаты исследования влияния направления ультразвуковых колебаний на формирование остаточных напряжений во впадинах резьбы Мб приведены на рис. 2.

Как видно из представленных на рис. 2 графиков, при данных условиях обработки в подповерхностном слое формируются остаточные напряжения сжатия. При обычном резании и резании с тангенциальными колебаниями на поверхности остаточные напряжения практически отсутствуют. Максимальные сжимающие напряжения формируются при сообщении резьбообразующему инструменту радиальных колебаний. В этом случае подповерхностный максимум смещается ближе к поверхности, чем при обычной обработке.

Таким образом, определены условия, при которых в поверхностном слое формируются благоприятные сжимающие напряжения, причем положительный эффект достигается непосредственно в процессе обработки без дополнительных упрочняющих операций.

По полученным значениям остаточных напряжений с помощью специальной методики [3] была проведена оценка предельной амплитуды цикла при нагружении резьбовых деталей. При этом была использована зависимость вида

ав=а_1-1'(оОЯ11+ол), где ста - предельная амплитуда цикла; сг^ — предел выносливости материала при симметричном цикле; у - коэффициент влияния остаточных напряжений на предел выносливости; оаст- остаточные напряжения; ат - среднее напряжение цикла.

Как показано профессором В.Ф. Павловым [4], приращение предельной амплитуды ДооД за счет остаточных напряжений во впадинах резьбы при среднем напряжении от определяется зависимостью

-(»01- I Рост,

Остаточные напряжения

ъ - 2 г ^ к

сТост—— \—р==ад, я о

у

где - осевые остаточные напряжений в опасном сечении; = — - относи-

^кр

тельное расстояние от поверхности впадин резьбы до текущего слоя, выраженное в долях 1кр ; 1кр - критическая глубина нераспространяющейся трещины усталости.

Коэффициент влияния остаточных напряжений на предельную амплитуду при среднем напряжении ат определяется следующим образом:

7

—(т) — СГ_|(СТ„ -СГ„)

У о - ^<1--^-~,

О1 ост

где <зТт - среднее напряжение, при котором начинается локальная текучесть; -

сопротивление отрыву материала. В свою очередь,

с с астл =-

где аа - теоретический коэффициент концентрации напряжений; К0 - эффективный коэффициент концентрации напряжений.

С помощью данной методики была проведена оценка влияния остаточных напряжений на сопротивление усталости резьбовых титановых шпилек Мб, изготовленных с различными ультразвуковыми технологическими параметрами. Из полученных данных следует, что предел выносливости изменяется прямо пропорционально величине сжимающих остаточных напряжений, и, следовательно, изменением параметров ультразвуковой обработки можно влиять на предел выносливости, который при данных значениях остаточных напряжений меняется в широких пределах - от 124 до 212 МПа, т.е. почти в два раза.

Таким образом, для повышения сопротивления усталости резьбовых деталей необходимо производить обработку с радиальными или осевыми ультразвуковыми колебаниями.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ультразвуковая механическая обработка и сборка / В.В. Калашников, М.С. Нерубай, Б.Л. Штриков. — Самара: Самар. кн, изд-во, 1995. - 191 с,

2. Кравченко Б.А. Теория формирования поверхностного слоя деталей машин при механической обработке: Учеб. пособие. - Куйбышев: КПтИ, 1981. - 90 с.

3. Иванов С.И. Технологические остаточные напряжения и сопротивление усталости авиационных резьбовых деталей / С.И. Иванов, В.Ф. Павлов, Г.В. Коновалов, Б.В. Минин. - М.: Отраслевая библиотека-«Технический прогресс и повышение квалификации» МАП, 1992. — 192 с.

4. Остаточные напряжения и сопротивление усталости упрочненных деталей с концентраторами напряжений: Моногр. / В.Ф. Павлов, В.А. Кирпичев, В.Б. Иванов. - Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2008. -64 с.

Статья поступила в редакцию I декабря 2008 г.

UDC 621.9.048.6

OPTIMISATION OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS AT THE ULTRASONIC CUTTING OF CARVING

Valéry V. Golovkin, Oksana V. Romashkina1

Samara Slate Technical University,

244, Molodogvardeyskaya str., Samara, 443100.

Possibility of increase of working capacity of responsible carving details by formation in a blanket offavorable compressing pressure at the expense of optimisation of technological paramétrés of ultrasonic processing is shown.

Key words: ultrasonic treatment, remaining tensions, cutting of screw-thread, concentration of tensions, resiliently-plastic state of superficial layer.

' Valery V. Golovkin, Candidate of Technical Sciences, Associate professor. Oksana V. Romashkina, assistant.