Главная Коллекция "Revolution" Производство и технологии Повышение качества поверхностного слоя сварных швов на основе совершенствования ультразвуковой ударной обработки

Повышение качества поверхностного слоя сварных швов на основе совершенствования ультразвуковой ударной обработки

Анализ процесса ударной обработки ультразвуковым инструментом с промежуточным бойком с оценкой технологических параметров нагружения. Разработка и оценка содержания метода измерения силы периодических высокочастотных ударов деформирующего инструмента.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	автореферат
Язык	русский
Дата добавления	13.08.2018
Размер файла	93,6 K

посмотреть текст работы

скачать работу можно здесь

полная информация о работе

весь список подобных работ

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Повышение качества поверхностного слоя сварных швов на основе совершенствования ультразвуковой ударной обработки

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Известно, что остаточные напряжения, возникающие вследствие неравномерных температурных деформаций металла сварного шва и зоны термического влияния в процессе сварки, существенно влияют на прочностные характеристики сварных конструкций. Высокий уровень послесварочных остаточных напряжений, может стать причиной разрушения деталей и узлов еще при изготовлении или в первые часы эксплуатации при достаточно низком уровне эксплуатационных нагрузок. Таким образом, задача снижения остаточных напряжений в зоне их повышенной концентрации является чрезвычайно важной для повышения надежности и долговечности изделий современного машиностроения, обеспечения технологичности и снижения металлоемкости производства.

Применение традиционных методов снижения технологических остаточных напряжений - естественного старения и термообработки деталей связано со значительными временными и энергетическими затратами, и имеет определенные ограничения, обусловленные габаритными размерами обрабатываемого изделия. Эффективным деформационным (нетермическим) способом воздействия на поле послесварочных остаточных напряжений в сварных конструкциях является ультразвуковая ударная обработка поверхностным пластическим деформированием многобойковым инструментом. Сущность заключается в создании в поверхности сварного шва и околошовной зоны металла упрочненного поверхностного слоя с формированием благоприятного для прочности сварной конструкции поля сжимающих остаточных напряжений.

Технологический эффект упрочнения поверхностного слоя достигается при ударном режиме обработки, который характеризуется дискретным воздействием деформирующего инструмента на обрабатываемую поверхность с изменяющимся усилием деформации от нуля до максимального значения, превышающего предел текучести обрабатываемого материала. Вместе с тем, реализация импульсного (ударного) режима деформирования возможна только при условии возбуждения и стабилизации в нагруженной колебательной системе резонансных колебаний. Высокие амплитуды колебаний и значительные статические нагрузки на инструмент являются причиной чрезвычайной чувствительности резонансного ударного режима к изменениям технологических параметров обработки, которые в результате проявления различных нелинейных эффектов, могут привести к потере устойчивости, срыву резонансных колебаний и переходу системы в безударный режим взаимодействия, когда пластическое деформирование металла практически отсутствует.

Сложность и неоднозначность поведения ультразвуковой колебательной системы в наиболее производительных, резонансных режимах обработки диктует необходимость создания теоретической модели процесса на основе совместного рассмотрения динамики колебаний и ударного нагружения пластически деформируемого материала. Учитывая взаимосвязь вибрационных и деформационных процессов, такой подход позволяет с одной стороны, изучать технологические параметры обработки в зависимости от конструктивных и динамических особенностей технических средств реализации процесса, а с другой, осуществлять оценку влияния технологических факторов ультразвукового пластического деформирования на характеристики качества поверхностного слоя с определением степени деформационного упрочнения и поля остаточных напряжений создаваемых в обрабатываемом материале.

Цель диссертационной работы: Разработка математической модели ультразвуковой ударной обработки для определения эффективных, устойчивых режимов поверхностного пластического деформирования металла сварного шва и околошовной зоны, обеспечивающих формирование упрочненного поверхностного слоя с остаточными напряжениями сжатия.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

1. Построение математической модели процесса ультразвуковой ударной обработки поверхностным пластическим деформированием, позволяющей исследовать резонансные режимы колебаний и рассчитывать силовые параметры ударного воздействия на материал с учетом конструктивных особенностей инструмента, динамических и технологических параметров обработки.

2. Экспериментальное исследование процесса ударной обработки ультразвуковым инструментом с промежуточным бойком с оценкой влияния технологических параметров нагружения на динамические и силовые параметры ударного воздействия.

3. Исследование влияния технологических параметров ультразвуковой ударной обработки на качество поверхностного слоя с определением оптимальных, резонансных режимов, обеспечивающих упрочнение материала и формирование поля остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое сварного шва и околошовной зоны сварной конструкции.

4. Разработка метода измерения силы периодических высокочастотных ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности для оценки соответствия величины реализуемых технологических параметров нагружения заданным параметрам режима обработки.

Методы исследований. В работе использован комплексный подход, включающий теоретические и экспериментальные исследования. Теоретические исследования проведены на основе теории виброударных систем, теории нелинейных колебаний, механики твердого тела с использованием модели ударного нагружения обрабатываемого материала в очаге деформации и динамики ультразвуковой ударной обработки. Расчеты, обработку результатов и графические построения выполняли на ПЭВМ с использованием программных средств MATCAD 12, PC-lab2000. В экспериментальных исследованиях применялась современная измерительная и регистрирующая аппаратура.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- установлено, что в процессе ультразвуковой ударной обработки поверхностным пластическим деформированием существование и устойчивость реализуемых ударных режимов обработки, а также сила ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности, определяются амплитудой колебаний ультразвукового преобразователя и силой статической нагрузки на инструмент .

- установлено, что наблюдаемое периодическое нарастание силы ударов при постоянной статической нагрузке на инструмент , является результатом выхода колебательной системы на неустойчивые, предельные режимы обработки с максимальной ударной скоростью деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности.

- периодичность циклов нарастания и спада силы ударов при постоянных параметрах нагружения (, ) определяется не только конструктивными параметрами инструмента и частотой ультразвука, но, также, зависит от интенсивности собственных высокочастотных колебаний обрабатываемого изделия, создающих условия для жесткого возбуждения неустойчивого предельного ударного режима.

- впервые при математическом моделировании процесса ультразвуковой ударной обработки с использованием метода припасовывания решений, описывающих смежные интервалы движений, разделенные моментом удара, учитывается длительность удара деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности, определяемая экспериментальным путем. Такой подход позволяет совместно рассмотреть динамику колебаний и ударное нагружение пластически деформируемого материала и оценить влияние силовых параметров ударного воздействия, как на резонансные свойства колебательной системы, так и на деформационное упрочнение и поле остаточных напряжений, создаваемых в поверхностном слое изделия.

Практическая ценность (и внедрение) результатов работы:

- полученные аналитические выражения, описывающие ударные режимы взаимодействия элементов колебательной системы позволяют определять оптимальные технологические параметры нагружения, с учетом конструктивных и динамических особенностей ультразвукового инструмента и свойств обрабатываемого материала, а также осуществлять расчетную оценку силы ударов и величины ударных напряжений в локальной области контакта деформирующего инструмента с обрабатываемой поверхностью.

- установленные закономерности влияния технологических параметров ультразвуковой ударной обработки на характеристики качества поверхностного слоя сварного шва и околошовной зоны, позволяют назначать рациональные режимы ультразвуковой ударной обработки поверхностным пластическим деформированием, при которых достигается технологический эффект упрочнения материала с формированием в поверхностном слое благоприятных для прочности сварной конструкции остаточных напряжений сжатия.

- разработан метод (и его аппаратное обеспечение) измерения силы периодических высокочастотных ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности, позволяющий оценивать соответствие фактической нагрузки на инструмент , прикладываемой мускульным усилием оператора при «ручном» способе реализации процесса обработки, заданному диапазону величины нагружения. Новизна технических решений, реализованных при разработке метода подтверждена патентом на полезную модель.

Результаты исследований и разработок использованы и внедрены в производство:

- в ОАО «Производственное объединение ЕлАЗ» для ультразвуковой ударной обработки сварных швов барабана лебедки подъемных агрегатов УПРС-60, грузоподъемностью 60 тонн, применяемых при ремонте скважин.

- в «Центре неразрушающего Контроля и Диагностики» КГТУ им. А.Н. Туполева для снижения остаточных сварочных напряжений после ремонта крупногабаритного шарового резервуара (емкостью 2000 куб. м., диаметром 16 м) для хранения жидкого аммиака под давлением на ООО «Менделеевсказот»;

- в ОАО «Казанское моторостроительное ПО» для ультразвуковой ударной обработки сварных швов корпусных деталей и узлов газотурбинных двигателей и крупногабаритных сварных конструкций газоперекачивающих агрегатов.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель процесса ультразвуковой ударной обработки поверхностным пластическим деформированием, построенная с использованием метода припасовывания решений, описывающих смежные интервалы движений, разделенные моментом удара.

2. Закономерности влияния технологических параметров нагружения в процессе ультразвуковой ударной обработки на резонансные свойства ударных колебаний и силовые параметры ударного воздействия.

3. Закономерности влияния технологических режимов ультразвуковой ударной обработки на упрочнение поверхностного слоя сварного шва и околошовной зоны и остаточную напряженность сварной конструкции.

4. Метод измерения силы периодических высокочастотных ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности в процессе ультразвуковой ударной обработки поверхностным пластическим деформированием.

Апробация результатов работы.

Основные результаты докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы создания перспективных авиационных двигателей», (г. Москва, ЦИАМ) в 2005 году, на Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-07» (г. Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева) в 2007 году и на V Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-09» (г. Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева) в 2009 году, на XVI Симпозиуме «Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем «DYVIS-2009» (г. Звенигород) в 2009 году.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 статьи (в изданиях, рекомендованных ВАК), 5 тезисов докладов и патент на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 114 наименований и Приложений на 11 страницах. Работа содержит 147 страниц машинописного текста, включая 30 иллюстраций, 6 таблиц и Приложения.

Основное содержание работы

ультразвуковой нагружение деформирующий высокочастотный

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, выносимые на защиту положения.

В первой главе рассмотрен механизм воздействия ультразвуковой ударной обработки поверхностным пластическим деформированием на процессы упрочнения и формирования поля остаточных напряжений в изделии. Дана характеристика конструктивно-технологических особенностей и динамических параметров ультразвуковой ударной обработки определяющих качество поверхностного слоя. Проведен анализ нелинейных эффектов в работе ультразвуковой технологической колебательной системы, влияющих на стабильность и устойчивость реализуемых режимов обработки. Рассмотрены основные теории и подходы к моделированию ударных колебательных процессов, проанализированы их недостатки и возможности по расчетной оценке силового ударного воздействия на материал. Определены задачи исследования процесса ультразвуковой ударной обработки, направленные на совершенствование режимов поверхностного пластического деформирования и повышение качества поверхностного слоя в зоне сварного соединения.

Вторая глава посвящена моделированию процесса ультразвуковой ударной обработки поверхностным пластическим деформированием и теоретическому исследованию влияния технологических параметров нагружения на резонансные свойства колебаний и силовые параметры ударного воздействия на материал. Ультразвуковая ударная обработка поверхности сварного шва и околошовной зоны крупногабаритных сварных конструкций эффективно осуществляется многобойковым инструментом (см. Рис. 1), в котором механическое ударное воздействие передается промежуточным бойком, вибрирующим в зазоре между рабочим торцом ультразвукового преобразователя и поверхностью изделия. Инструмент прижимается к изделию мускульной силой оператора (или весом груза при экспериментальном исследовании), приложенной к корпусу инструмента. Поскольку в реальных условиях обработка осуществляется попеременно одним ударником из обоймы, рассматривалось взаимодействие волновода только с одним ударником многобойкового инструмента.

В предположении вынужденных гармонических колебаний преобразователя и постоянстве скорости движения незакрепленного бойка в интервале времени между соударениями, рассматривались наиболее интенсивные, одноударные режимы обработки, соответствующие встречному движению бойка и торца волновода в момент соударения. При этом, ударное взаимодействие изготовленных из закаленной стали и приработанных в процессе эксплуатации поверхностей концентратора и бойка считалось абсолютно упругим, а столкновение бойка с обрабатываемой поверхностью сварного шва описывалось коэффициентом восстановления скорости при ударе и длительностью соударения , величины которых определялись экспериментально.

Используя метод припасовывания, и связывая координаты и скорости соударяющихся звеньев на границах интервалов безударного движения теоремой импульсов, получены соотношения, связывающие доударные , и послеударные , скорости при прямом центральном ударе концентратора приведенной по количеству движения, эффективной массой с бойком, имеющим сосредоточенную массу :

, (1)

, (2)

ультразвуковой нагружение деформирующий высокочастотный

где - коэффициент восстановления относительной скорости соударения бойка с рабочим торцом волновода.

Условие равенства ударного импульса импульсу силы прижима, характеризующее положение динамического равновесия колебательной системы в течение периода колебаний в стационарном, устойчивом режиме обработки, определялось из теоремы импульсов и представлено в виде:

, (3)

Решение уравнений (1), (2), (3) позволило получить выражения для динамических параметров ударного взаимодействия звеньев колебательной системы через конструктивные (, ) и технологические (, , ) параметры обработки.

Закон движения рабочего торца ультразвукового концентратора, под действием периодической силы в промежутках между соударениями представлен в виде:

, (4)

где - собственная частота продольных колебаний вязкоупругого стержня, - коэффициент затухания ультразвука в материале стержня, и - произвольные постоянные, и - амплитуда и сдвиг линейных вынужденных колебаний торца концентратора при отсутствии соударений с промежуточным бойком,

Подчиняя выражение (4) граничным условиям периодических одноударных режимов колебаний, получены аналитические выражения для задающих закон движения (4) констант и , фазы и динамического зазора через конструктивные (, , , , ) и технологические (, , , , ) параметры ультразвуковой ударной системы.

Отмечено, что вследствие присущей нелинейным колебательным системам двузначности в результате решения, полученных аналитических выражений, имеем два набора констант, определяющих два режима ударных колебаний при одних и тех же параметрах системы. При этом в зависимости от знака величины и фазы колебаний столкновение торца волновода с бойком на ударном режиме колебаний может происходить как в точке траектории лежащей выше линии его среднего положения - координатной оси , так и в точке траектории лежащей ниже средней линии колебаний, т.е. ближе к обрабатываемой поверхности, именно так как показано на рисунке 1 б.

Показано, что выход ударной системы на режимы с максимальной ударной скоростью происходит при увеличении зазора в результате динамического увода корпуса инструмента, либо жестким возбуждением, при этом столкновение торца волновода с бойком происходит в точке траектории лежащей на средней линии колебаний.

Область существования реализуемых в ударных системах одноударных режимов колебаний определена путем подчинения закона движения (4) условию отсутствия дополнительных пересечений означающему, что траектории движения соударяющихся элементов (бойка и торца волновода) не должны пересекаться кроме как в точках соударения.

Расчеты и графические построения проводились с использованием программного средства MATCAD 12 для значений параметров, соответствующих ультразвуковому оборудованию «Гефест 400» и условиям эксперимента: модуль упругости, собственная частота продольных колебаний, длина выходной ступени и площадь поперечного сечения стержневого концентратора ультразвука, соответственно =2·10¹¹ Н/м²;=21982 Гц; =58 мм; =3,8·10^-4 м²; скорость продольного ультразвука в материале концентратора =5,1·10³ м/с; приведенная по количеству движения эффективная масса концентратора =340 г.; масса бойка=6 г; коэффициент затухания ультразвука в материале концентратора =0,05; коэффициент восстановления скорости бойка при ударе =0,7; длительность удара 0,25; =500 Н; сила прижима =80ч240 Н; амплитуда холостого хода ультразвукового преобразователя =17 мкм.

Из результатов расчетов, приведенных в таблице 1 следует, что в процессе обработки проявляются эффекты динамического увода корпуса ультразвукового инструмента и затягивания колебаний бойка по амплитуде (см. Рис. 2). Показано, что увеличение амплитуды колебаний преобразователя приводит к увеличению размаха колебаний бойка, которое сопровождается подъемом корпуса преобразователя до предельного значения, определяемого границей области существования ударных колебаний.

Теория

Эксперимент

Расчетная оценка средней силы удара бойка по изделию, выполненная по теореме импульсов,

(5)

показала, что с увеличением силы статического прижима - сила удара при устойчивом режиме растет, а максимально достигаемая сила удара на предельном режиме уменьшается. Обнаруженная закономерность хорошо воспроизводится в условиях эксперимента в диапазоне статических усилий прижима 120ч200 Н (см. Таблицу 1).

Анализ результатов расчетов величины упругих напряжений, возникающих в металле при ударе бойка об изделие, полученных с помощью теории удара Герца, как отношение силы удара (расчетной и измеренной экспериментально) к площади контактной деформации, позволил установить, что при ультразвуковой ударной обработке в локальной области площадью порядка 1 - 2 мм² создаются упругие напряжения превышающие предел текучести металла (=700ч750 МПа для обрабатываемой стали), что является причиной перераспределения и релаксации внутренних напряжений.

Установлено, что максимальное напряжение при ударе бойка по изделию достигается при приложении некоторой оптимальной силы прижима инструмента к изделию ( ? 120ч200 Н в условиях эксперимента), определяемой конструктивными параметрами и мощностью ультразвукового инструмента.

В третьей главе изложены результаты экспериментального исследования процесса ударной обработки ультразвуковым инструментом с промежуточным бойком с оценкой влияния технологических параметров нагружения на динамические и силовые параметры ударного воздействия.

Исследование проводилось путем одновременного измерения силы ударов бойка по обрабатываемой поверхности (стыковой шов на пластине из стали Х12Н20Т2Р (ЭИ 696А) размерами 250х180х45 мм) и высоты положения корпуса инструмента «Гефест 400».

Анализ большого количества осциллограмм, полученных для статической нагрузки на инструмент = 80, 160, 240 Н (см. Рис. 3), позволил установить, что динамика развития и срыва ударных колебаний представляет собой повторяющуюся последовательность циклов установления и срыва ударных колебаний с периодическим нарастанием и спадом силы удара бойка по изделию. Показано, что нарастание силы периодических ударов наблюдается на стадии подъема корпуса из нижнего положения, когда увеличивается промежуток (зазор) между вибрирующим торцом волновода и изделием, где колеблется боек. При этом, увеличение силы удара сопровождается нарастанием интенсивности собственных высокочастотных (32 кГц и 53 кГц) колебаний обрабатываемой пластины (показано пунктиром на Рис. 3 б). Тем самым создаются условия для жесткого возбуждения неустойчивого предельного режима с еще большей силой ударов (порядка 1500 Н для =160 Н).

Установлено, что вследствие инерционности массивного ультразвукового инструмента, перемещение его относительно изделия в процессе обработки проявляется как низкочастотные (по сравнению с частотой ультразвука) колебания.

Учитывая актуальность проблемы обеспечения стабильности параметров нагружения в процессе обработки, выполняемой вручную переносным ударным инструментом типа «Гефест-400», разработан метод измерения силы периодических высокочастотных ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности. Измерение силы ударов осуществляется с помощью устройства, преобразующего сигнал изменения электрического напряжения тарированного пьезодатчика, возникающего в результате каждого удара, в информационный сигнал светового и стрелочного индикаторов.

Метод позволяет оценивать соответствие фактической нагрузки на инструмент , прикладываемой мускульным усилием оператора, заданному диапазону величины нагружения.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния технологических параметров ультразвуковой ударной обработки на качество поверхностного слоя с определением оптимальных, резонансных режимов, обеспечивающих упрочнение материала и формирование поля остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое сварного шва и околошовной зоны сварной конструкции.

Исследования проводились на сварных заготовках углового соединения из углеродистой конструкционной качественной стали Ст30 и на сварных заготовках стыкового соединения из аустенитной жаропрочной свариваемой стали Х12Н20Т2Р (ЭИ 696А). Оба материала применяются для изготовления крупногабаритных сварных конструкций изделий машиностроения, эксплуатирующихся в условиях воздействия циклических нагрузок.

Выбор параметров нагружения осуществлялся с учетом результатов расчетной оценки и экспериментального измерения силы ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности. Усилие статического нагружения задавалось в диапазоне =80ч200 Н. Резонансные параметры инструмента задавались амплитудой смещения торца ультразвукового концентратора, соответствующей максимальной (=15 мкм) и минимальной (=10 мкм) мощности ультразвукового генератора. Скорость перемещения инструмента вдоль сварного шва, варьировалась в пределах =10ч50 мм/с.

Исследовалось поле остаточных напряжений, параметры деформационного упрочнения и состояние поверхности сварного шва и околошовной зоны сварных заготовок до и после обработки.

Измерение величины остаточных напряжений методом «замера прогибов» образцов, вырезанных с поверхности околошовной зоны сварной заготовки показало, что напряженное состояние материала заготовки в состоянии после сварки характеризуется значительными остаточными растягивающими напряжениями достигающими 120 МПа для стали Ст30 и 450 МПа для стали Х12Н20Т2Р с глубиной залегания 15 мкм и 70 мкм соответственно (показано пунктирной линией на Рис. 4, 5).

Анализ эпюр остаточных напряжений после ударной обработки в различных режимах, позволил установить общие закономерности в формировании поля остаточных напряжений, обусловленные влиянием технологических параметров. В частности установлено, что при постоянных параметрах нагружения, в зависимости от физико-механических свойств и исходной напряженности обрабатываемого материала, скорость перемещения инструмента, имеет некоторый оптимальный диапазон, при котором достигаемая в результате обработки величина остаточных напряжений сжатия изменяется незначительно.

Обработка в оптимальном диапазоне скоростей перемещения инструмента с параметрами нагружения (=120ч200 Н; =15 мкм - в условиях эксперимента), обеспечивающими реализацию устойчивого резонансного режима колебаний с наибольшей силой ударов приводит к формированию в поверхностном слое максимальных по величине остаточных напряжений сжатия: 40-70 МПа для стали Ст30 и 50 МПа для стали Х12Н20Т2Р с глубиной залегания 300 мкм и 30 мкм соответственно (см. Рис. 4, 5). При этом достигается наибольшая степень упрочнения металла поверхностного слоя (=30% для стали Х12Н20Т2Р) (см. Рис. 7 б), с формированием выраженной текстуры деформации, которая распространяется на глубину от 600 до 1000 мкм (см. Рис. 8 г). Формируемая равномерная, сглаженная поверхность, является результатом многократного, последовательного нанесения и совмещения следов обработки (пластических отпечатков) с образованием направленно деформированной структуры рельефа поверхности (см. Рис. 8 а), без выступов, впадин, подрезов и других потенциальных концентраторов напряжений.

Установлено, что рост величины сжимающих остаточных напряжений, глубины и степени деформационного упрочнения в поверхностном слое заготовки в результате увеличения параметров нагружения (, ) и продолжительности обработки (при уменьшении скорости перемещения инструмента до =10ч15 мм/с - в условиях эксперимента) продолжается до некоторого предельного значения, зависящего, очевидно, от физико-механических свойств и исходной напряженности обрабатываемого материала. Дальнейшее нагружение не вызывает существенного роста параметров упрочнения, и, напротив, в результате перенаклепа приводит к разупрочнению материала, нарушению его сплошности, и, как следствие, к формированию растягивающих остаточных напряжений в поверхностном слое.

Перенаклеп поверхности характеризуется формированием тонкого чешуйчатого поверхностного слоя глубиной 3ч5 мкм с наминами и локальным выкрашиванием фрагментов металла (см. Рис. 8 б). На поперечных шлифах зон поверхностного слоя, подвергнутых наибольшей деструкции, наблюдаются линии пластической деформации, огибающие выбоины и углубления (см. Рис. 8 в).

Результаты измерений остаточных напряжений, выполненные в работе методом «замера прогибов» образцов, вырезанных с поверхности околошовной зоны сварной заготовки хорошо согласуются с результатами неразрушающего контроля экспресс-методом «магнитной памяти металла» (СТО РНТСО 004-03, ГОСТ Р 52005-2003), проведенного непосредственно на объекте обработки. Так контроль уровня остаточных напряжений в металле после ударной обработки ультразвуковым инструментом «Гефест-400» сварных швов шарового газгольдера ПП-2000-6-6 из стали 09Г2С на ООО «Менделеевсказот» показал уменьшение уровня послесварочных остаточных напряжений - в 1,5 раза.

Установленное значительное снижение величины высотных параметров шероховатости Ra, Rz, Rmax, в результате поверхностного пластического деформирования ультразвуковым ударным инструментом на исследованных режимах обработки, свидетельствует о полном переформировании исходной шероховатости поверхности сварного шва и околошовной зоны. При этом возрастание силы ударов деформирующих бойков, вследствие увеличения величины параметров нагружения (, ), приводит к снижению исходной шероховатости поверхности (см. Рис. 9). Варьирование величины скорости перемещения инструмента в пределах исследованного диапазона незначительно повлияло на изменение шероховатости поверхности.

Основные результаты работы и выводы

1. Математическое моделирование процесса ультразвуковой ударной обработки, основанное на припасовывании решений, описывающих смежные интервалы движений, разделенные моментом удара позволяет рассчитывать области существования и устойчивости резонансного режима ударных колебаний с учетом влияния конструктивных (, , , , ), динамических (, , ) и технологических (, , , , ) параметров, производить оценку силового воздействия на материал и определять величину ударных напряжений в локальной области контакта деформирующего инструмента с поверхностью изделия, как на устойчивом, так и на неустойчивом - предельном ударном режиме деформирования.

2. Расчетная и экспериментальная оценка силовых параметров ударного воздействия на материал позволила установить, что основными параметрами, определяющими силу ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности, а, следовательно, и производительность ультразвуковой обработки поверхностным пластическим деформированием являются - амплитуда колебаний ультразвукового преобразователя и сила статической нагрузки на инструмент . Причем технологический эффект упрочнения материала с формированием в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия достигается, если величины параметров нагружения (, ) обеспечивают реализацию устойчивого резонансного режима периодических ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности с частотой ультразвука, при котором в локальных очагах деформации создаются напряжения, превышающие предел текучести обрабатываемого материала.

3. Исследование условий существования и устойчивости резонансного режима обработки позволило установить, что выход колебательной системы на неустойчивые, предельные режимы с максимальной ударной скоростью подвижного деформирующего инструмента происходит в результате проявления нелинейных эффектов увеличения амплитуды колебаний преобразователя и динамического увода корпуса ультразвукового инструмента с увеличением зазора между рабочим торцом волновода и обрабатываемой поверхностью.

4. Установленное при экспериментальном исследовании процесса ультразвуковой ударной обработки периодическое чередование циклов нарастания и спада силы ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности определяется повторяющейся последовательностью переходных процессов установления устойчивых ударных колебаний, с периодическим «затягиванием» на предельный ударный режим и последующим «срывом» с него на безударный режим взаимодействия. При этом, возбуждение и последующее нарастание интенсивности собственных высокочастотных колебаний обрабатываемого изделия, существенным образом влияет на динамику обработки, создавая условия для жесткого возбуждения неустойчивого предельного ударного режима.

5. В результате исследования влияния технологических параметров обработки на качество поверхностного слоя сварного шва и околошовной зоны установлено, что оптимальный, резонансный режим ударной обработки поверхностным пластическим деформированием, реализуемый на ультразвуковом оборудовании «Гефест 400», мощностью 400 Вт, при котором в поверхностном слое исследованных заготовок из сталей Ст30 и Х12Н20Т2Р формируются остаточные напряжения сжатия величиной 50-70 МПа, обеспечивается при условии поддержания силы статической нагрузки на инструмент в диапазоне =120ч200 Н, амплитуды колебаний ультразвукового преобразователя =15 мкм и скорости продольной подачи инструмента в диапазоне =20ч35 мм/с. Причем, варьирование величины технологических параметров в пределах установленного оптимального диапазона, обусловленное спецификой «ручного» способа реализации процесса обработки, не оказывает существенного влияния на стабильность величин параметров, характеризующих качество поверхностного слоя.

6. При исследовании упрочнения и напряженности поверхностного слоя, установлено, что достигаемая при постоянных параметрах нагружения (, ) степень деформационного упрочнения материала и величина остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое сварного шва и околошовной зоны сварной заготовки, определяются скоростью продольной подачи инструмента (либо продолжительностью воздействия), характеризующей кратность силового воздействия на материал.

7. Исследование параметров шероховатости обработанной поверхности показало, что ультразвуковая ударная обработка поверхностным пластическим деформированием в исследованных режимах (с ударными напряжениями в диапазоне 1,1??1,4) сопровождается полным переформированием исходного микрорельефа поверхности. Причем, вследствие того, что скорость ударов деформирующего инструмента в десятки раз превышает скорость продольной подачи , шероховатость формируемой поверхности определяется в основном плотностью распределения следов обработки (пластических отпечатков), исходными волнистостью и макроотклонением, и незначительно зависит от изменения скорости подачи .

8. Разработан метод (и его аппаратное обеспечение) измерения силы периодических высокочастотных ударов деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности, реализованный с помощью тарированного прибора, преобразующего сигнал изменения электрического напряжения пьезодатчика, возникающего в результате удара, в информационный сигнал светового и стрелочного индикаторов. Использование метода измерения силы ударов при «ручном» способе реализации процесса обработки позволяет оценивать соответствие фактической нагрузки на инструмент , прикладываемой мускульным усилием оператора, заданному диапазону величины нагружения.

Публикации по теме диссертации

1. Вагапов, И.К. Исследование влияния ультразвуковой ударной обработки на значение и распределение остаточных напряжений в сварной заготовке [Текст] / И.К. Вагапов, М.М. Ганиев, А.С. Шинкарев // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. - 2005. №2. - С. 56 - 59.

2. Ганиев, М.М. Экспериментальное исследование ударной обработки ультразвуковым инструментом с промежуточном бойком [Текст] / М.М. Ганиев, И.К. Вагапов, А.С. Шинкарев // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. - 2008. №4. - С. 41 - 44.

3. Вагапов, И.К. Теоретическое и экспериментальное исследование динамики ультразвуковой виброударной системы с промежуточным бойком [Текст] / И.К. Вагапов, М.М. Ганиев, А.С. Шинкарев // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2008. №5. - С. 3 - 24.

4. Вагапов, И.К. Исследование изменения остаточных напряжений после ультразвуковой обработки в сварочных швах [Текст] / И.К. Вагапов, М.М. Ганиев, А.С. Шинкарев // Вопросы вибрационной технологии: межвуз. сб. науч. ст. - Ростов на Дону: ДГТУ, 2003. - С. 138 - 139.

5. Вагапов, И.К. Исследование влияния ультразвуковой ударной обработки сварного шва на уровень остаточных напряжений в сварной заготовке [Текст] / И.К. Вагапов, М.М. Ганиев, А.С. Шинкарев // Проблемы создания перспективных авиационных двигателей: тез. докл. Всерос. науч.-технич. конф. молодых ученых и специалистов. - Москва: ЦИАМ, 2005. - С. 329 - 330.

6. Ганиев, М.М. Экспериментальное исследование динамики ультразвуковой колебательной системы с промежуточным бойком [Текст] / М.М. Ганиев, И.К. Вагапов, А.С. Шинкарев // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-07»: материалы междунар. науч.-технич. конф. - Казань: КГТУ им. А.Н. Туполева, 2007. - Т. 1. - С. 227-232.

7. Вагапов, И.К. Экспериментальное исследование ударной обработки ультразвуковым инструментом с промежуточным бойком [Текст] / И.К. Вагапов, М.М. Ганиев, А.С. Шинкарев // Сб. трудов XVI симпозиума «Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем «DYVIS-2009». - Москва - Звенигород, 2009. - С. 93 - 96.

8. Вагапов, И.К. Исследование влияния ультразвуковой обработки на технологические свойства материала [Текст] / И.К. Вагапов, М.М. Ганиев, А.С. Шинкарев // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2009»: материалы V Всерос. науч.-технич. конф. - Казань: КГТУ им. А.Н. Туполева, 2009. - Т.2. - С. 389 - 393.

9. Устройство для измерения силы ударов [Текст]: пат. 87796 Рос. Федерация / Ганиев М.М., Шинкарев А.С.; заявитель и патентообладатель Казанское моторостроительное ПО. - №2008134198; заявл. 05.10.07; опубл. 20.10.09.

Размещено на Allbest.ru
...

автореферат "Повышение качества поверхностного слоя сварных швов на основе совершенствования ультразвуковой ударной обработки" скачать

Подобные документы

Влияние химико-термической обработки на показатели стойкости инструмента
Увеличение срока эксплуатации инструмента в результате применения методов химико-термической обработки. Исследование влияния технологических параметров диффузионного упрочнения на микроструктуру, фазовый состав, свойства поверхностного слоя инструмента.

дипломная работа [1,7 M], добавлен 09.10.2012

Разработка и проектирование электрода инструмента для формирования окон матрицы 05356
Методики проектирования электрода-инструмента для прошивки отверстия методом электроэрозионной обработки. Анализ обрабатываемого материала - сталь У10А. Расчет технологических параметров обработки. Операционный маршрут изготовления электрода-инструмента.

курсовая работа [314,4 K], добавлен 28.01.2014

Повышение производительности и качества изготовления детали "Стакан" путем совершенствования структуры технологического процесса
Назначение и краткое техническое описание детали, разработка твердотельной 3D-модели. Расчет силовых и деформационных параметров в процессе эксплуатации. Выбор технологических баз и оценка точности базирования заготовки. План обработки, маршрут операций.

дипломная работа [1,2 M], добавлен 05.04.2017

Электрофизические и электрохимические способы обработки поверхностей деталей
Понятие электрофизических и электрохимических методов обработки детали, их отличительные особенности и недостатки. Схема протекания электроэрозионной обработки, распределение импульсов и виды метода. Применение ультразвуковой и плазменной обработки.

презентация [2,0 M], добавлен 05.11.2013

Сущность и технико-экономическая оценка ультразвуковой обработки
Ультразвуковая обработка поверхностей как одно из направлений существенного повышения производительности и качества механической обработки материалов. Изучение практического опыта применения ультразвука в процессах абразивной обработки и их шлифования.

контрольная работа [25,6 K], добавлен 30.01.2011

Изготовление технологической оснастки, режущего инструмента
Реализация технологического процесса обработки конических роликовых подшипников. Твердость поверхностного слоя, размеры и их точность, отклонения формы и расположения. Описание работы приспособления, анализ оборудования, транспортировки, планировки цеха.

отчет по практике [15,1 K], добавлен 20.07.2009

Качество поверхностей и основы технологических методов повышения надежности деталей машин
Геометрические параметры и физико-механическое состояние поверхностного слоя деталей. Граничный и поверхностный слой. Влияние механической обработки, состояния поверхностного слоя заготовки и шероховатости на эксплуатационные свойства деталей машин.

презентация [1,9 M], добавлен 26.10.2013

Основные представления о ресурсе и эксплуатационных свойствах деталей машин. Состояние поверхностного слоя и его влияние на эксплуатационные свойства деталей машин
Надежность машин и механизмов как важнейшее эксплуатационное свойство. Методы проектирования и конструирования, направленные на повышение надежности. Изучение влияния методов обработки на формирование физико-механических свойств поверхностного слоя.

реферат [303,6 K], добавлен 18.04.2016

Разработка технологических процессов обработки резанием детали "Шарик"
Определение коэффициента использования металла и трудоемкости станочной обработки. Расчет припусков на обработку резанием. Ознакомление с особенностями схемы обработки заготовки на станке. Разработка и характеристика переходов и схем наладки инструмента.

курсовая работа [1,1 M], добавлен 03.08.2017

Лезвийные инструменты
Расширение технологических возможностей методов обработки зубчатых колес. Методы обработки лезвийным инструментом. Преимущества зубчатых передач - точность параметров, качество рабочих поверхностей зубьев и механических свойств материала зубчатых колес.

курсовая работа [1,0 M], добавлен 23.02.2009

Контроль качества сварных швов
Основные причины возникновения дефектов сварных швов. Виды дефектов: наплыв, подрез, непровар, наружные и внутренние трещины и поры, внутренний непровар, шлаковые включения. Неразрушающие и разрушающие методы контроля качества сварных соединений.

реферат [651,0 K], добавлен 08.12.2010

Усовершенствование технологического процесса обработки детали "Ступица"
Разработка технологического процесса обработки детали "Ступица" с применением высокопроизводительных методов обработки. Усовершенствование операций обработки детали, технологической оснастки и инструмента, снижение затрат времени и трудоёмкости процесса.

курсовая работа [1,4 M], добавлен 09.04.2010

Проектирование технологического процесса токарной обработки детали
Анализ существующих технологических процессов токарной обработки деталей в массовом производстве. Проектирование токарной оснастки, инструмента. Разработка технологии штамповки. Анализ структуры затрат при изготовлении кольца по двум вариантам технологии.

дипломная работа [2,4 M], добавлен 27.10.2017

Разработка технологических процессов обработки детали "переходник" на автоматизированных участках
Определение объема выпуска переходника и типа производства. Разработка технологического процесса обработки детали. Выбор оборудования, режущего инструмента и приспособления. Расчет размеров заготовки, режимов резания и нормы времени для токарной операции.

курсовая работа [1,2 M], добавлен 17.01.2015

Разработка технологического процесса механической обработки детали в условиях мелкосерийного (ремонтного) производства
Служебное назначение детали. Требуемая точность механической обработки поверхностей. Материал детали и его свойства. Выбор метода получения заготовки в мелкосерийном производстве. Выбор технологических баз, оборудования. Схема технологических операций.

реферат [382,8 K], добавлен 13.09.2017

Проектирование технологических процессов сборки, изготовления заготовки и ее механической обработки
Анализ формы точности, шероховатости, размеров материала и обработки детали, а также характера нагружения. Определение технологического маршрута обработки поверхности детали в зависимости от точности размеров и шероховатости поверхностей детали.

курсовая работа [594,7 K], добавлен 25.09.2012

Разработка методики и технических средств для ультразвукового контроля сварного изделия
Сравнительный анализ известных методик ультразвукового контроля сварных швов. Выбор метода контроля (теоретический анализ акустического тракта). Разработка метрологического обеспечения средств контроля, вспомогательных средств для сканирования объекта.

дипломная работа [2,6 M], добавлен 14.02.2016

Исследование кинетики процесса эрозии и формирования поверхностного слоя при электроискровом легировании твердыми сплавами
Анализ существующей методики получения поверхностного слоя методом электроискрового легирования, которая не учитывает образование слоя на начальном этапе. Зависимость переноса массы от плотности анода и катода. Образование первичного и вторичного слоя.

статья [684,1 K], добавлен 21.04.2014

Расчёт металлорежущего инструмента
Проектирование протяжки для обработки шлицевой втулки. Расчет долбяка для обработки зубчатых колес. Комбинированная развертка для обработки отверстий. Разработка плавающего патрона для крепления развёртки. Выбор материала для изготовления инструмента.

курсовая работа [1,4 M], добавлен 24.09.2010

Разработка технологического процесса механической обработки детали
Анализ служебного назначения детали. Классификация поверхностей, технологичность конструкции детали. Выбор типа производства и формы организации, метода получения заготовки и ее проектирование, технологических баз и методов обработки поверхностей детали.

курсовая работа [133,3 K], добавлен 12.07.2009

Другие документы, подобные "Повышение качества поверхностного слоя сварных швов на основе совершенствования ультразвуковой ударной обработки"

главная

рубрики

по алфавиту

вернуться в начало страницы

вернуться к началу текста

вернуться к подобным работам

Рубрики

По алфавиту

Закачать файл

Заказать работу

весь список подобных работ

скачать работу можно здесь

сколько стоит заказать работу?

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.