Исследование влияния параметров ультразвуковой обработки на формирование остаточных напряжений при нарезании наружных резьб малого диаметра

Размещено на http://www.allbest.ru/

Самарский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ НА ФОРМИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ НАРЕЗАНИИ НАРУЖНЫХ РЕЗЬБ МАЛОГО ДИАМЕТРА

О.В. Ромашкина

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. 1, 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 М3-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-

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 ВТ3-1, ВТ9, ВТ16, нержавеющей стали 12Х18Н9 и высокопрочной стали 30ХГСА. Для проведения исследований была выбрана резьба М6, так как она является наиболее распространенной и обладает значительно меньшими характеристиками работоспособности, чем резьбы больших диаметров.

Рис. 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 уz в поверхностном слое (глубина поверхностного слоя a, мм) впадин резьбы М6х1 при обработке титанового сплава ВТ3-1. (Режимы обработки: скорость резания V=0,6 м/мин, частота ультразвуковых колебаний f = 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.

Рис. 3. Влияние направления ультразвуковых колебаний на формирование остаточных напряжений во впадинах резьбы М6х1 при обработке титанового сплава ВТ3-1:

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 f = 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 колебаниями, а наложение на инструмент тангенциальных колебаний приводит к их уменьшению, причем до значений порядка 400 МПа.

Рис. 4. Влияние направления ультразвуковых колебаний на формирование остаточных напряжений во впадинах резьбы М6х1 при обработке титанового сплава ВТ9:

1 - обычное резание; 2 - резание с тангенциальными колебаниями;

3 - резание с осевыми колебаниями; 4 - резание с радиальными колебаниями

Рис. 5. Влияние направления ультразвуковых колебаний на формирование остаточных 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.

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 V=0,6 м/мин, частота ультразвуковых колебаний f = 20±1 кГц, амплитуда ультразвуковых колебаний - 5 мкм, технологическая среда - сульфофрезол.) ультразвуковой резьба пьезокерамический преобразователь

При обработке нержавеющей стали 12Х18Н9 в подповерхностном слое формируются сжимающие остаточные напряжения, однако их распределение имеет принципиально иной характер. При обработке данного материала максимальные (по модулю) сжимающие остаточные напряжения формируются на поверхности и достигают сравнительно небольших значений (до 500 МПа), и уже на глубине залегания 0,08-0,15 мм меняют свой знак на противоположный. Так, при обычном резании и при обработке с тангенциальными колебаниями сжимающие остаточные напряжения незначительны (около 200 МПа на поверхности) и плавно уменьшаются до нуля на глубине залегания 0,08-0,11 мм. При нарезании резьбы с осевыми и радиальными ультразвуковыми колебаниями сжимающие остаточные напряжения достигают значений 300-400 МПа и плавно уменьшаются до нуля на глубине залегания 0,17 мм. Таким образом, в данном случае также наиболее предпочтительной является обработка с радиальными или осевыми ультразвуковыми колебаниями.

На рис. 6 приведены графики влияния направления ультразвуковых колебаний на формирование остаточных напряжений во впадинах резьбы М6х1 при обработке высокопрочной стали 30ХГСА. (Режимы обработки: скорость резания V = 0,6 м/мин, частота ультразвуковых колебаний f = 20±1 кГц, амплитуда ультразвуковых колебаний - 5 мкм, технологическая среда - сульфофрезол.)

Рис. 6. Влияние направления ультразвуковых колебаний на формирование остаточных напряжений во впадинах резьбы М6х1 при обработке высокопрочной стали 30ХГСА:

1 - обычное резание; 2 - резание с тангенциальными колебаниями;

3 - резание с осевыми колебаниями; 4 - резание с радиальными колебаниями

При обработке высокопрочной стали 30ХГСА в зависимости от различных технологических ультразвуковых параметров получили следующие распределения сжимающих остаточных напряжений. При обычном резьбонарезании на поверхности формируются сжимающие остаточные напряжения, равные 600 МПа, затем наблюдается их незначительное увеличение (по модулю) до 650 МПа, а следом - плавное уменьшение до смены знака на глубине 0,13 мм. Наложение тангенциальных ультразвуковых колебаний при обработке привело к уменьшению (по модулю) сжимающих остаточных напряжений до значений 450 МПа. Введение в зону резания 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.

Аннотация

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.

Размещено на Allbest.ru