Повышение качества поверхностного слоя изделий из титанового сплава методом ультразвуковой обработки

На правах рукописиХарченко Владислав ВикторовичПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВАПОВЕРХНОСТНОГО СЛ ОЯ ИЗДЕЛИЙИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВАМЕТОДОМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИСпециальность 05.02.07«Технология и оборудование механической ифизико-технической обработки»Авторефератдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукМосква - 2012Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего профессионального образования «Московский государственныйиндустриальный университет»Научный руководитель:заслуженный деятель науки РФ,доктор технических наук, профессорТаратынов Олег ВасильевичОфициальные оппоненты:доктор технических наук, доцентГоворов Игорь ВитальевичООО «ЧТПЗ-Инжиниринг»,директор департаментакандидат технических наук, доцентПанин Павел ВасильевичФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ,старший научный сотрудникВедущая организация:ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»Защита состоится «14» февраля 2013 года в 14:15 на заседании диссертационногосовета Д 212.129.01 в Московском государственном индустриальном университете поадресу: 115280, Россия, Москва, ул.

Автозаводская, д. 16, ауд. 1804.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственногоиндустриального университета.Автореферат разослан «24» декабря 2012 годаУчёный секретарь диссертационного советаИванов Юрий СергеевичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыПовышение качества поверхностного слоя и эксплуатационных свойств деталей машинявляется актуальной проблемой технологии машиностроения, решение которой требуетопережающего подхода в условиях быстрого технического развития и рыночной экономики,породившей острую конкуренцию среди производителей.В процессе эксплуатации поверхность изделий, в том числе в летательных аппаратах,подвергается интенсивному износу и именно с неё в большинстве случаев начинается потеряслужебного назначения по одному из эксплуатационных свойств - усталостная трещина,абразивный износ, коррозия и др.При решении указанной проблемы в промышленности на завершающей стадиитехпроцессаизготовлениядеталейприменяютразличныефинишныеметодытехнологического обеспечения качества поверхностного слоя – абразивную отделку,термическую закалку, нанесение покрытий, поверхностное легирование и пластическоедеформирование.

Для достижения максимального эффекта используют комбинированныеметоды обработки.Преимуществотехнологииповерхностно-пластическогодеформирования(ППД)заключается в том, что благодаря пластическому течению металла деформированныевыступы заполняют впадины профиля, увеличивая опорную длину и несущую способностьповерхности. Радиус закругления вершин неровностей по сравнению с другими методамиобработки имеет максимальное значение, что существенно сокращает период приработки иизнос сопрягаемых поверхностей.

Макроотклонения не исправляются ввиду упругогоконтакта инструмента и заготовки, а объём детали не изменяется. В результате деформациипроисходитформированиеупрочнённогослоясравномернымградиентомспадамикротвёрдости, остаточных сжимающих напряжений и глубины наклёпа.Изучению технологии ППД в отечественной науке в период 60-80-х годов ХХ векабыло посвящено большое количество работ. Значительных успехов в данной областидостигли В.М. Браславский, И.В.

Кудрявцев, А.И. Марков, И.И. Муханов, Л.Г. Одинцов,Д.Д. Папшев, В.В. Петросов, О.А. Розенберг, В.М. Смелянский, А.Г. Суслов, В.М. Торбило,Л.А. Хворостухин, Ю.В. Холопов, П.А. Чепа, Ю.Г. Шнейдер и др.Ультразвуковая обработка (УЗО) представляет собой прогрессивную технологиюфинишной отделочно-упрочняющей обработки металлов давлением, позволяя заменитьклассические статические методы ППД по схемам качения и скольжения – накатывание ивыглаживание. Отличительной особенностью УЗО является малая температура нагрева,3низкое статическое усилие и высокая скорость деформирования, благодаря чему даннаятехнология позволяет обрабатывать как детали, обладающие невысокой конструктивнойжёсткостью, так и поверхности, подвергнутые закалке и отпуску.

В результате воздействияультразвуковых колебаний значительно снижается сопротивление металла пластическойдеформации.В последние годы появилось большое количество работ, посвящённых изучениютехнологии УЗО, которые были направлены на совершенствование процесса обработки сцелью технологического обеспечения качества поверхности и эксплуатационных свойствдеталей машин. Среди них работы Ю.М. Боровина, Ким Чанг Сика, Н.П. Коломееца,Ю.В. Никитина, З.В. Степчевой и ряда других авторов.

Однако одним из недостатковуказанныхработявляетсяотсутствиевниманиявопросамповышениякачестваповерхностного слоя изделий из титановых сплавов, нашедших широкое применение вавиационной и космической отраслях промышленности. В частности, в Российскойсамолётостроительной корпорации «МиГ» существуют проблемы улучшения коррозионнойстойкости и износостойкости поверхности ряда деталей, а также снижения их массы.Разработка технологии с использованием современных материалов, которая позволяетулучшитьтопографиюповерхности,управлятьеёмикротвёрдостью,остаточныминапряжениями и глубиной наклёпа для обеспечения требуемых эксплуатационных свойствизделий, является актуальной задачей.Актуальность настоящей работы подтверждается также тем, что научные исследованияпо данной тематике проводились в рамках Аналитической ведомственной целевойпрограммы «Развитие научного потенциала высшей школы» Министерства образования инауки Российской Федерации (темы РНП 6322 и 2.1.2/11022).

Данному научномунаправлениюиколлективукафедры«Технологияиметаллорежущиесистемыавтомобилестроения» Московского государственного индустриального университета в2008 году указом Президента был присвоен статус ведущей научной школы России.Цель работыЦельюнастоящейдиссертационнойповерхностного слоя рабочего«Российскаяработыявляетсяповышениештока 5.12.5301.1006.98, изготавливаемогосамолётостроительнаякорпорация«МиГ»,методомкачествав ОАОультразвуковогоповерхностно-пластического деформирования для обеспечения требуемой коррозионнойстойкости и износостойкости.4Задачи исследованияДля достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:1) Усовершенствоватьматематическуюмодельконтактноговзаимодействияинструмента с обрабатываемой поверхностью и получить аналитические уравнения длярасчёта силовых и кинематических параметров технологического процесса УЗО;2) Провести экспериментальные исследования влияния различных технологическихрежимов обработки на состояние поверхностного слоя деталей из титанового сплава ипроанализировать взаимную совместимость получаемых геометрических и физикомеханических характеристик поверхности после УЗО;3) Получить систему регрессионных уравнений, устанавливающих связь междупараметрами обработки и геометрическими характеристиками поверхности, которыепозволяют технологически управлять качеством выпускаемых изделий;4) Разработать практические рекомендации по оптимизации технологии УЗО и еёвнедрению в опытный технологический процесс производства штока 5.12.5301.1006.98 вОАО «Российская самолётостроительная корпорация «МиГ».Объект исследованияОбъектом проведения исследований является качество поверхностного слоя штокалетательного аппарата 5.12.5301.1006.98, работающего в условиях трения с возможнымпопаданием на поверхность абразивных частиц при перепаде температур от -50°С до +50°С,который изготавливается в ОАО «Российская самолётостроительная корпорация «МиГ».Предмет исследованияПредметом исследований является теоретическое и экспериментальное изучениетехнологии ультразвуковой обработки изделий из титанового сплава ВТ6, закономерностейизменения геометрических и физико-механических характеристик поверхностного слоядеталей, а также анализ их взаимной совместимости при различных технологическихрежимах УЗО.Методы исследованияПри постановке модельного эксперимента использовалась заготовка из титановогодеформируемого сплава марки ВТ6, полученная путём отливки и подвергнутая горячейобработке давлением с последующим отжигом в верхнем температурном интервале(+)-области.5Предварительная чистовая лезвийная обработка перед операцией УЗО производиласьна вертикально-фрезерном трёхкоординатном станке AGIE Mikron VCE-600 (Швейцария)твёрдосплавным инструментом Sandvik(Швеция), а формирование заготовокдлямикрошлифов осуществлялось на электроэрозионном вырезном станке AGIE Classic V2(Швейцария).Ультразвуковая обработка проводилась с помощью генератора ИЛ10 - 0.63 (Россия),соединённогоспреобразователя,колебательнойсистемой,волновода-концентраторасостоящейиизакустическоймагнитострикционногоголовкисвпаяннымтвёрдосплавным индентором.Обработка результатов эксперимента осуществлялась в лабораториях Московскогогосударственного индустриального университета (ФГБОУ ВПО «МГИУ»), Московскогоавиационно-технологическогоинститута(ФГБОУВПО«МАТИ-РГТУим.

К.Э. Циолковского») и Московского института стали и сплавов (ФГАОУ ВПО «НИТУМИСиС»)наследующемоборудовании:цифровойпрофилометрHommelTesterT8000-RC120-400 (Германия), универсальный цифровой твердомер Affri 251 VRSD (Италия),цифровой микротвердомер Affri DM8 (Италия), автоматический многофункциональныйрентгеновский дифрактометр общего назначения ДРОН-7 (Россия), металлографическийинвертированный оптический микроскоп Carl Zeiss Axio Observer.A1m (Германия),просвечивающий электронный микроскоп JEOL JEM-2100 (Япония).Достоверность результатовРезультаты работы получены с использованием современного математическогоаппарата, вычислительных средств, достижений в области трибологии, материаловедения итехнологиимашиностроения,атакжеавтоматизированногоаналитическогоиметрологического оборудования, что подтверждает их объективность и достоверность.Научная новизна и положения, выносимые на защиту1) Аналитические уравнения для расчёта давления в зоне контакта инструмента изаготовки, стойкости индентора, энергии деформирования шероховатости, степениперекрытия отпечатков от действия индентора и высоты выступов профиля обработаннойповерхности с учётом степени перекрытия отпечатков, устанавливающие связь указанныхвеличин с технологическими параметрами режима УЗО.2) Система регрессионных уравнений для технологического управления качествомповерхностного слоя обрабатываемых изделий из титанового сплава ВТ6, устанавливающаясвязь режимов обработки с параметрами шероховатости профиля после УЗО.63) Исследование взаимной совместимости геометрических (высотные и шаговыепараметрышероховатости)ифизико-механических(микротвёрдость,остаточныемакронапряжения, глубина наклёпа, плотность дислокаций) характеристик поверхностногослоя деталей после УЗО.Практическая ценность1) Разработантехнологическийпроцессфинишнойультразвуковойобработкиповерхности штока 5.12.5301.1006.98 из титанового сплава ВТ6, изготавливаемого в ОАО«Российская самолётостроительная корпорация «МиГ».2) Разработан алгоритм оптимизации указанного технологического процесса сиспользованием полученных аналитических и регрессионных уравнений и выявленныхэмпирических закономерностей.Реализация результатов работыРезультаты диссертационной работы внедрены в опытный технологический процесспроизводства рабочего штока летательного аппарата 5.12.5301.1006.98 в ОАО «Российскаясамолётостроительная корпорация «МиГ».Апробация работыРезультатыработыдоложеныиобсужденынатрёхнаучно-практическихконференциях:- университетскаянаучно-практическаяконференциястудентов,аспирантовимолодых учёных «Молодая наука АФ – 2011» (Москва, МГИУ, 12-28 апреля 2011 г.);- II Международная научно-практическая конференция «Итоги и перспективыинтегрированной системы образования в высшей школе России: образование - наука инновационнаядеятельность»всекции«Современныепроблемыпроизводства:прогрессивные технологии и материалы» (Москва, 26-28 октября 2011 г.);- 14-я Международная научно-практическая конференция «Технологии упрочнения,нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» в секции «Технологии упрочнения ивосстановления физико-механических свойств поверхности» (Санкт-Петербург, 17-20 апреля2012 г.).7ПубликацииРезультаты научных исследований опубликованы в 10 печатных работах, включая2 статьи в сборниках международных научно-практических конференций и 4 статьи врецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.Структура и объём работыНастоящаяработасостоитизвведения,четырёхглав,заключения,спискаиспользованной литературы (150 наименований), приложений и содержит 250 страницмашинописного текста, в том числе 61 рисунок и 40 таблиц.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, определенынаправления исследования, сформулированы научная новизна и практическая ценность,приведены данные об апробации работы и публикациях, указаны сведения о структуре иобъёме диссертации.В первой главе рассмотрен механизм формирования упрочнённого поверхностногослоя при ППД, проведён сравнительный анализ различных методов отделочно-упрочняющейобработки (накатывания, алмазного выглаживания, дорнования, вибронакатывания ивибровыглаживания, чеканки, дробеструйной обработки) и их влияния на геометрические ифизико-механические характеристики упрочнённого слоя, содержится литературный обзорна существующие работы по выбранной тематике.