close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Повышение производительности процесса стабилизации деформации упругих чувствительных элементов типа круглых пластин применяемых в датчиках давления способом ультразвукового механического воздействия

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Балтаев Тимур Асхатович
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА
СТАБИЛИЗАЦИИ ДЕФОРМАЦИИ УПРУГИХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ ТИПА КРУГЛЫХ ПЛАСТИН, ПРИМЕНЯЕМЫХ
В ДАТЧИКАХ ДАВЛЕНИЯ, СПОСОБОМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО
МЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов 2016
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего образования
«Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А.»
Научный руководитель:
доктор технически наук, профессор,
заслуженный деятель науки РФ,
лауреат премии Президента РФ
Королев Альберт Викторович
Официальные оппоненты:
Агапов Сергей Иванович,
доктор технических наук, доцент,
ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный
технический университет»,
доцент кафедры «Технология машиностроения»
Петровский Алексей Петрович,
кандидат технических наук,
ведущий инженер ПО «Корпус», г. Саратов
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный
университет», г. Пенза
Защита состоится 20 января 2017 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 212.242.02 при ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов,
Политехническая, 77, ауд. 319.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО
«Саратовский государственный технический университет имени Гагарина
Ю.А.» и на сайте www.sstu.ru
Автореферат разослан _________ ноября 2016 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Муктаров
Орынгали Джулдгалиевич
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. В точном машиностроительном производстве значительную
долю составляют различного рода приборы и датчики, основными элементами которых являются упругие чувствительные элементы типа круглых пластин.
Упругая тонкостенная деталь типа круглой пластины сопряжена с деталями
сложного механизма, которые соединяются между собой в основном с помощью
винтов и прочих резьбовых соединений. Большое количество пружин возвратного
типа, внутренних люфтов подвижных механизмов, способствует в процессе работы
возникновению накопленной деформации круглой пластины, что влияет на стабильность показаний в процессе эксплуатации датчика давления типа МД – ТП. Стабильность характеристик круглой пластины во времени может измениться вследствие пластической ползучести материала, которое может возникнуть при нормальной температуре и накопленной деформации. Это связано с неоднородностью структуры материала и появлением в его микрообъемах остаточных напряжений при изготовлении. Для исключения данного явления в режиме эксплуатации круглые пластины подвергаются стабилизации – специальной технологической обработке, так
называемой «тренировке», при которой равномерно распределенная циклическая
нагрузка действует на круглую пластину под действием жидкости или газа, эмитируя реальную работу прибора. Данная операция подразумевает под собой искусственную стабилизацию накопленной деформации круглой пластины с целью получения
стабильных показаний датчиков давления. Тренировка в течение нескольких часов
проходит сначала при отрицательной температуре, затем при повышенной температуре и обычно осуществляется неоднократно. Такая технология связана с большими затратами и не всегда обеспечивает требуемую точность показаний приборов.
Альтернативой традиционной технологии «тренировки» чувствительных элементов приборов давления может служить ультразвуковая технология. Ультразвуковая технология, применяемая с различной целью при обработке конструкционных
материалов, нашла свое отражение в исследованиях отечественных и зарубежных
ученных С.И. Агапова, Б.Н. Монахова, А. И. Маркова, О.В. Абрамова, В. Е. Накорякова, Б. Г. Новицкого, М. А. Маргулиса, Т. Мейсона, Л. Бергмана, В.Ф. Казанцева,
Л. Д. Розенберга, Б.М. Бржозовского, Н.В. Бекренева, Белоцкого, В.Н. Винниченко,
Е.А. Житникова, О.В Захарова, А.В. Королева, Ю.З. Лесюка, И.М. Муха, А.П. Петровского, J. Kleiman, H. Gao, R. Dutta, R. Huizenga, M. Amirthalingam, M. Hermans,
T. Buslaps and I. Richardson, B. Houston, D. Kumabe и других. В работах и исследованиях этих и других ученых глубоко изучены процессы воздействия ультразвука на
жидкие и кристаллизирующиеся металлы, возможность применения ультразвука в
процессах обработки металлов давлением, особенности влияния виброударных ультразвуковых колебаний на процессы свободной и закрытой осадки, плющения и
ковки металлов и сплавов, возможности ультразвуковой виброударной очистки деталей, механизм жидкофазной ультразвуковой обработки, процессы ультразвукового
диспергирования и гидроабразивной обработки, возможность применения ультразвука при получении металлов и полупроводников повышенной чистоты.
На основе анализа перечисленных методов, способов и технологических процессов можно сформулировать очевидные достоинства ультразвуковой обработки:
исключительная широта диапазона технологического применения ультразвука – от
размерной обработки твердых материалов до неразъемного соединения (сварки,
пайки, и т.д.) деталей или интенсификации химико-технологических и электрохими3
ческих процессов, сравнительная несложность эксплуатации промышленных установок, возможность автоматизации и механизации.
В работах М.Г. Бабенко, С.В. Слесарева, выполненных под руководством проф.
А.В. Королева, показана высокая эффективность технологии ультразвуковой релаксации остаточных напряжений в деталях типа колец подшипников. Согласно результатам экспериментальных исследований, представленных в этих работах, при использовании ультразвукового метода релаксации происходит существенное сокращение затрат времени и энергии при более стабильных результатах по геометрическим параметрам изделий в сравнении с термическими методами. Однако остается
открытым вопрос о возможности эффективного применения ультразвуковой обработки для стабилизации накопленной деформации в деталях типа круглых пластин,
применяемых в качестве упругих чувствительных элементах в датчиках давления.
Поэтому тема диссертации, направленная на исследование механизма и разработку технологии стабилизации накопленной деформации круглых пластин, применяемых в датчиках давления, на основе применения ультразвуковой энергии, является актуальной.
Целью работы является повышение производительности процесса стабилизации деформации упругих элементов типа круглых пластин, применяемых в датчиках
давления, способом ультразвукового механического воздействия.
Методы и средства исследований. Теоретические исследования процесса стабилизации накопленной деформации круглых пластин основываются на методах
технологии машиностроения, расчетно-аналитических методах материаловедения и
сопротивлении материалов, на математическом моделировании режимов ультразвуковой обработки, теории полного факторного планирования эксперимента. Экспериментальные исследования базировались на применении ультразвукового генератора «МЭФ 15». Разработка математической модели проводилась в среде MathCAD
V15. Эмпирические данные обрабатывались в программе Microsoft Excel с использованием методов математической статистики. В качестве измерительных средств
использовалась высокоточная аттестованная измерительная техника ООО ЭПО
«Сигнал» и СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Научная новизна работы:
1. Исследован механизм изменения размерной точности круглых пластин, возникающих из-за асимметрии эпюр накопленной деформации относительно главных
осей поперечных и продольных сечений пластин, происходящих в процессе их тренировки и эксплуатации под действием циклических нагружений.
2. Предложена математическая модель процесса ультразвуковой стабилизации,
отражающая влияние основных технологических факторов, что позволило научно
обосновать технологию ультразвуковой стабилизации накопленной деформации
круглых пластин, применяемых в датчиках давления.
3. Установлена и формализована экспериментальная зависимость основных показателей процесса ультразвуковой стабилизации накопленной деформации круглых
пластин от основных технологических факторов: внешней нагрузки, времени обработки и амплитуды колебаний, подтвердившая адекватность математической модели.
4. Разработано методическое обеспечение для определения рациональных
условий ультразвуковой стабилизации круглых пластин, предложены рациональные
условия ее осуществления.
Практическая ценность и реализация работы:
4
– разработана технология ультразвуковой стабилизации накопленной деформации круглых пластин, позволяющая повысить стабильность измерения приборов
давления и многократно снизить потребное время тренировки приборов и связанные
с этим затраты;
– создана экспериментальная конструкция ультразвуковой установки на базе
генератора «МЭФ 15», с целью стабилизации накопленной деформации круглых
пластин, путем воздействия на ее поверхность ультразвуковыми колебаниями;
– предложены рациональные условия осуществления ультразвуковой стабилизации накопленной деформации в круглых пластинах.
Технология ультразвуковой стабилизации деформации круглых пластин рекомендована к внедрению в технологический процесс стабилизации упругих чувствительных элементов датчиков давления типа МД – ТП Энгельсского приборостроительного объединения ООО «Сигнал».
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается лабораторными исследованиями, выполненными с применением современных методов планирования экспериментов и обработки экспериментальных данных, а также показателями эффективности опытно-производственного
применения разработанной технологии и практических рекомендаций.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
– Региональной научно-практической конференции с международным участием «Молодые ученые – науке и производству», Энгельс, 2013;
– Всероссийской заочной научно-технической конференции «Проблемы исследования систем и средств автомобильного транспорта», Тула, 2015;
– V Международной научно-практической конференции «Техника и технологии: пути инновационного развития», Курск, 2015;
– II Международной научно-практической конференции «Наука, технологии и
инновации в современном мире», Уфа, 2015;
– ежегодных научно-технических конференциях молодых ученых СГТУ имени
Гагарина Ю.А. (2011-2015 гг.);
– заседаниях кафедры «Технология машиностроения» СГТУ имени Гагарина
Ю.А.
– на заседаниях совета Института электронной техники и машиностроения
СГТУ имени Гагарина Ю.А. (2013-2015 гг.).
Публикации. Всего автор имеет 17 публикаций. По результатам исследований
опубликовано 6 работ, в том числе 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК
РФ, 2 статьи в изданиях ближнего зарубежья. Получено положительное решение о
выдаче патента по заявке RU №2015135341 «Способ стабилизации геометрических
параметров детали».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 107 наименований, 3 приложений. Диссертационная работа изложена на 140 страницах машинописного текста.
Положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Механизм изменения размерной точности круглых пластин, возникающих
из-за асимметрии эпюр накопленной деформации относительно главных осей поперечных и продольных сечений пластин, происходящих в процессе их эксплуатации
под действием циклических нагружений.
5
2. Математическая модель процесса ультразвуковой стабилизации, отражающая влияние основных технологических факторов, позволяющая научно обосновать
технологию ультразвуковой стабилизации накопленной деформации круглых пластин, применяемых в приборах давления.
3. Регрессионная зависимость основных показателей процесса ультразвуковой
стабилизации накопленной деформации в круглых пластинах от основных технологических факторов: внешней нагрузки, времени обработки и амплитуды колебаний
ультразвукового инструмента. Полученные зависимости позволяют контролировать
процесс ультразвуковой стабилизации и формировать рациональные режимы обработки.
4. Методическое обеспечение для определения рациональных условий ультразвуковой стабилизации.
5. Технология ультразвуковой стабилизации накопленной деформации круглых
пластин, позволяющая многократно снизить потребное время тренировки приборов
и связанные с этим затраты.
Автор считает своим долгом выразить особую благодарность научному руководителю – доктору технических наук, заслуженному деятелю науки РФ, лауреату
премии Президента РФ, профессору Королеву А.В.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России – Задание
№ 9.896.2014/K на выполнение НИР в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель,
сформулирована научная новизна и практическая ценность, приведены сведения об
апробации результатов работы.
В первой главе произведен анализ исследований в области совершенствования
технологии стабилизации накопленной деформации в изделиях машиностроительного производства. Выявлены недостатки существующих технологий. Обоснована
возможность эффективной замены термомеханической стабилизации на технологию
ультразвуковой стабилизации накопленной деформации круглых пластин, применяемых в датчиках давления типа МД – ТП.
Произведен анализ современных способов и технических средств, применяемых при ультразвуковой стабилизации накопленной деформации в деталях типа
круглых пластин. На основе анализа выбран способ стабилизации круглых пластин,
основанный на применении энергии ультразвука. Выполнен патентный поиск способов и устройств стабилизации накопленной деформации в металлических изделиях, широко применяемых на современных машиностроительных предприятиях. Рассмотрены работы отечественных и зарубежных ученых, посвященные изучению вопроса релаксации остаточных напряжений, в деталях машиностроительного производства, основанной на энергии ультразвука. Наиболее близким по технической
сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому способу обработки является
«Способ вибростарения деталей» (патент RU № 2140842), включающий закрепление
детали на опоре и установку источника ультразвуковых колебаний с возможностью
деформации детали. Источник ультразвуковых колебаний устанавливают на определенном расстоянии от опоры, а деталь подвергают обработке многократно после
смены ее положения относительно источника ультразвуковых колебаний.
6
Недостатками данного способа является низкое качество старения, так как в
процессе вибростарения не регламентируется деформация детали, что может привести либо к возникновению еще большей величины накопленной деформации в результате остаточных пластических деформаций, либо к сохранению существующих
погрешностей. Кроме того, данный способ имеет ограниченные технологические
возможности, так как он не позволяет осуществлять обработку деталей типа круглых
пластин.
На основе вышеизложенного сформулированы цель и задачи исследований:
1. Научно обосновать эффективность технологии ультразвуковой стабилизации
круглых пластин взамен существующей технологии термомеханической стабилизации, обеспечивающую стабильность работы датчиков давления.
2. Создать математическую модель определения величины накопленной деформации, отражающую существующий способ «тренировки» круглых пластин под
действием ее циклического нагружения внешним давлением.
3. Теоретически обосновать способ ультразвуковой обработки круглых пластин, обеспечивающий уменьшение накопленной деформации и резкое повышение
производительности обработки.
4. Провести экспериментальные исследования технологических возможностей
метода ультразвуковой стабилизации накопленной деформации круглых пластин,
подтвердить адекватность математической модели.
5. Разработать практические рекомендации по использованию результатов исследований и технико-экономическое обоснование технологии ультразвуковой стабилизации накопленной деформации круглых пластин, применяемых в датчиках
давления.
Вторая глава посвящена исследованию механизма упругого гистерезиса круглых металлических пластин, возникающего при наличии в материале пластины
остаточных напряжений. Построена математическая модель релаксации остаточных
напряжений и появления накопленной остаточной деформации круглой пластины
под действием ее внешнего циклического нагружения. Наряду со способом снижения накопленной остаточной деформации, где равномерно распределенная циклическая нагрузка действует на круглую пластину под действием жидкости или газа, рассмотрен способ снижения накопленной деформации способом ультразвукового механического воздействия под действием статической силы сосредоточенной в центре круглой пластины. Рассмотрен механизм влияния на релаксацию остаточных
напряжений основных технологических факторов: силы прижатия наконечника к
обрабатываемой поверхности круглой пластины, времени воздействия ультразвуковых механических колебаний на поверхность круглой пластины, амплитуды ультразвуковых механических колебаний.
На основе анализа работ Г. Гельмгольца, Н.Г. Колбасникова для исследования
было выбрано положение о потери энергии, возникающей при деформации пластины, которая прямо пропорциональна потенциальной энергии деформации пластины,
возникшей за счет наличия в материале пластины внутренних дефектов в виде межзеренных и межфазных пластических сдвигов и движения дислокаций в процессе
изготовления, и обратно пропорциональны так называемой энергии насыщения материала пластины, при которой пластическая деформация по границам зерен охватывает весь объем материала.
Выполненный расчет потенциальной энергии упругой деформации пластины
производился из условия жестко защемленной круглой пластины по контуру. Именно такое крепление пластин выполнено в приборах.
7
Сформулированы и обоснованы принятые в работе исходные данные и допущения:
1. Рассматривается гофрированная пластина, имеющую толщину  < d / 3 , мм;
где d – диаметр пластины, мм.
2. Максимальный прогиб пластины под действием внешней нагрузки o  /3, мм.
3.В качестве остаточных напряжений рассматриваем напряжения сдвига  , которые обычно возникают по границам зерен металла при изготовлении изделий под
действием термической и механической деформации и которые распределены в объеме материала изделия (напряжения первого рода).
3. Напряжения, возникающие в пластине под действием внешней нагрузки, не
превышают предела упругости ее материала.
4. В процессе циклической стабилизации остаточных напряжений в круглой
пластине под действием жидкости или газа нагрузка распределена равномерно.
5. В процессе ультразвуковой обработки нагрузка сосредоточена на небольшой
круглой площадке в центре пластины.
6. Внешняя нагрузка, действующая на пластину при ультразвуковой обработке,
намного превышает вес пластины, поэтому действие ее массы не учитываем.
Принятые допущения позволяют рассматривать двухосное напряженное состояние пластины, а напряжения – симметричными относительно нейтрального слоя
пластины.
На предприятии ООО ЭПО «Сигнал» при изготовлении приборов давления
«тренировку» чувствительного элемента типа круглой металлической пластины с
целью снижения накопленной деформации осуществляют путем периодической подачи давления жидкости или газа в приемную камеру прибора. В этом случае схема
нагружения пластины соответствует рис. 1.
Круглая пластина 1 жестко закреплена по краю в контуре 2, а внешняя нагрузка равномерно распределяется по поверхности пластины.
При подаче давления происходит изгиб пластины, а в материале
пластины возникают напряжения.
Возникающие напряжения создают
потенциальную энергию деформации,
которая после снятия нагрузки расходуется на возврат пластины в исходРис. 1 – Схема стабилизации
ное состояние.
круглой пластины
Элементарная потенциальная энергия деформации, накопленная в элементарном объеме материала пластины под действием внешней нагрузки, в случае двухосного состояния равна
dz  dr  rd 
dU ( z ,  , r ) 
 r ( z , r ) 2    ( z , r ) 2  2  r ( z , r )  ( z , r )  21    Q ( r ) 2 , (1)
2E


где σr(r) – нормальное радиальное напряжение, действующее на расстоянии r от
центра пластины, МПа; σφ(r) – окружное нормальное напряжение, действующее на
расстоянии r (мм) от центра пластины, МПа; τQ(r) – касательное напряжение, действующее на расстоянии r от центра пластины, МПа; z – расстояние от нейтрального
слоя пластины, мм;  – центральный угол пластины; E – модуль упругости материала пластины, МПа.
8
В равенстве (1) использовано соотношение G  E /(2(1   )) , где G – модуль
сдвига материала пластины, МПа.
Воспользовавшись решениями деформационного состояния круглых пластин,
выполненными Вайнбергом Д.В. и Вайнбергом Е.Д.:
12M r ( r )
12M  ( r )
Q( r )
;
2


qd2 
4r 2 
qd 2 
4r 2 
qr
1    3    2  ; M  ( r ) 
1    1  3  2  ; Q( r )  
M r (r ) 




64 
64 
2
d 
d 
qd 2 
4r 2 
qr
1    1  3  2  ; Q( r )  
,
M  (r ) 


64 
2
d 
 r ( z, r ) 
3
z ;   ( z, r ) 
3
z ;  Q (r ) 
(2)
где M r (r ) и M  (r ) – удельный изгибающий момент, приходящийся на единицу
длины пластины, на расстоянии r от центра соответственно в радиальном и окружном направлениях, Н·мм/мм; Q(r) – удельная поперечная сила, возникающая на расстоянии r , Н/мм, q – давление среды на пластину, МПа;  – коэффициент Пуассона материала пластины.
Интегрируя равенство (2) по переменным z,  и r , найдем потенциальную
энергию деформации пластины, возникающую под действием внешнего давления q
на пластину:
U
1 d / 2 2  / 2
r  r ( z , r ) 2    ( z , r ) 2  2  r ( z , r )  ( z , r )  21    Q ( r ) 2 dz  d  dr . (3)



E 0 0 0


Подставляя в выражение (3) равенства (2), после интегрирования получим
U
 q 2 d 6  1   q 2 d 4
.

E   3 6144
512 E
(4)
Если в пластине имеются остаточные напряжения сдвига, максимальная величина которых в среднем равна  o (МПа), то удельная потенциальная энергия изменения формы материала равна u o  k o o2 (1   ) / E , где k o – доля единицы объема
материала, в котором возникли напряжения сдвига по границам зерен. Тогда в единице объема материала будет находиться внутренняя потенциальная энергия, вызванная остаточными напряжениями сдвига, равная
 2 (1   )
(5)
dU o ( z,  , r )  k o o
r  dz  d  dr ,
E
После интегрирования равенства (5) получим внутреннюю потенциальную
энергию деформации, вызываемую остаточными напряжениями:
 o2 (1   ) d \ 2 2  / 2
 o2 (1   )
U o  2k o
r  dz  d  dr 
k o    d 2 .



E
8E
0 0 0
(6)
По аналогии энергия насыщения материала пластины, при которой пластический
сдвиг, возникающий между зернами материала, захватил бы весь его объем, равен
 o2 (1   )
Up 
   d 2.
8E
(7)
Если остаточные напряжения в пластине не равны нулю, то часть внутренней
потенциальной энергии упругой деформации пластины U под действием явления
гистерезиса поглотится материалом и в соответствии с принципом самоорганизации,
разработанного Н.Г. Колбасниковым, останется равной
9
U1  U  U 
Uo
.
Up
(8)
В таком случае при снятии внешней нагрузки энергия возврата пластины U 1
становится меньше энергии деформации, U и пластина не сможет возвратиться в
исходное положение. Возникнет остаточная деформация (гистерезис), равная
U
U
(9)
1  o   o  1   o o ,
U
Up
где  o – амплитуда деформации пластины, мм.
После первого цикла деформации в платине останется потенциальная энергия
остаточных напряжений, равная
U o1  U o  U
Uo
U .
 U o (1 
)
Up
Up
(10)
Аналогично на каждом i -м цикле нагружения будет формироваться остаточная деформация пластины, равная
 U  U i 1 
 
i  o  o 1 
 U  U  ,
p 
 

(11)
а потенциальная энергия остаточных напряжений в пластине будет соответствовать
выражению
i

U 
.
(12)
U oi  U o 1 
 Up 


Из соотношений (12) и (6) долю объема металла, занятого остаточными напряжениями после n -го цикла нагружения, можно определить из равенства
n

U 
.
(13)
k oi  k o 1 
 Up 


Из равенства (13) следует, что остаточные напряжения в процессе циклического нагружения пластины уменьшаются по геометрической прогрессии и асимптотически стремятся к нулю.
Остаточная деформация постепенно накапливается, а суммируя равенства (11)
от i  1 до i  n , найдем суммарную остаточную деформацию после n -го цикла
нагружения:
n
U 
sn  o o 1  
U  i 2

 U 
1 

 U 
p


i 1

.


(14)
Как видно из полученных выражений (12)-(14), в процессе работы датчиков
давления или в процессе «тренировки» прибора в круглой пластине возникает остаточная деформация, изменяющаяся во времени, что приводит к возникновению погрешностей показаний приборов. Для устранения указанной погрешности требуется
очень большое число циклов нагружений n , поэтому процесс «тренировки» является очень длительным и занимает от 3 до 20 часов. Другой недостаток процесса «тренировки» заключается в том, что при необходимости использования большой амплитуды тренировки o со временем может накапливаться большая остаточная деформация, которая впоследствии может повлиять на точность показаний приборов.
10
С целью устранения указанных недостатков предложен ультразвуковой способ
стабилизации круглых пластин, схема которого изображена на рис. 2. Сущность этого способа заключается в следующем. К пластине 1, имеющей диаметр d и жестко
закрепленной в корпусе 2, подводится ультразвуковой наконечник 3 диаметром d o ,
на который действует внешняя нагрузка P. Ультразвуковому наконечнику сообщают
ультразвуковые колебания с амплитудой A . Нагрузка на пластину P выбирается из
условия, чтобы в пластине не возникла пластическая деформация:
    t
,
P
2


1      d o2  4 ln do  
 d 
d
где  t – предел текучести материала пластины, МПа.
Для
предотвращения
концентрации
напряжений
поверхности пластины по
краям кромки наконечника 3
имеют округления.
Отличительной особенностью схемы ультразвуковой стабилизации, изображенной на рис. 2, от схемы
«тренировки», изображенной
на рис. 1, является то, что сиРис 2 – Схема ультразвуковой стабилизации круглой
ла воздействия на пластину
пластины (1 – круглая пластина; 2 – контур, жестко
защемляющий круглую пластину; 3 – наконечник
не распределена по ее поультразвукового инструмента)
верхности, а сосредоточена в
центральной части пластины
на небольшой круговой площадке диаметром d o . Частота собственных колебаний
пластины намного меньше частоты вынужденных колебаний. В соответствии с теорией вынужденных установившихся колебаний пластина совершает вынужденные
колебания: x(t )   p  Ap sin 2  f  t  с частотой колебаний ультразвукового генератора f . Поэтому в формуле (12) число циклов нагружения равно i  f  t , где t –
время от начала обработки. Затраченная энергия на одно колебание пластины равна
3
4f
U
 P(t )  x(t )dt  2 j  
p
 Ap ,
(15)
1
4f
где A p – амплитуда колебаний пластины, мм.; j – жесткость пластины, Н/мм.;  p
– начальная деформация пластины под действием внешней нагрузки Р, мм.
Как правило, собственная частота колебаний пластины значительно меньше
ультразвуковой частоты колебаний инструмента. Поэтому амплитуда колебаний
пластины будет меньше амплитуды колебаний инструмента. Она сложно зависит от
частоты вынужденных колебаний, от жесткости пластины, от нагрузки на пластину,
частоты собственных колебаний пластины и поэтому требует специального рассмотрения. Для практических целей ее можно определять путем измерения.
В соответствии с равенством (14) накопленная остаточная деформация после
времени обработки t будет равна
11
f t
U 
t  2 Ap o 1  
U p  i2



1  U 
 U 
p 

f t 1

.


(17)
Если не стремиться к достижению полной сумме накопленной деформации, а
определить долю допустимой накопленной остаточной деформации k  , то можно
существенно сократить потребное время обработки, определяемое равенством
t
ln k 
ln k 
.

2




j

A
U 
p

f  ln 1 
f  ln 1 
 U 


2
U
p
p




(18)
Как видно из равенства (18), время обработки обратно пропорционально частоте колебаний пластины. Поэтому обработка пластины с ультразвуковой частотой
существенно сокращает потребное время обработки, повышает ее производительность по сравнению с методом «тренировки», применяемым ООО ЭПО «Сигнал».
Выполненные исследования показывают механизм влияния остаточных
напряжений и циклических деформаций круглой пластины на изменение остаточных напряжений и на накопленную остаточную деформацию пластины. Показано,
что с течением времени циклических деформаций доля остаточных напряжений в
объеме материала пластины уменьшается по геометрической прогрессии и в пределе
стремится к нулю, а зависимость накопленной остаточной деформации от времени
соответствует сумме геометрической прогрессии и в пределе стремится к определенному значению, зависящему от амплитуды циклических колебаний.
Кроме того, во второй главе приведен алгоритм и программа расчетов процесса
стабилизации круглой пластины и выполнен анализ полученных результатов.
В третьей главе представлена методика проведения экспериментальных исследований. Обоснован выбор объекта, средств и условий проведения экспериментальных исследований, разработана конструкция экспериментальной установки,
схема установки приспособления для измерения амплитуды колебаний.
Объектом исследования принята круглая пластина, применяемая в качестве чувствительного элемента в датчиках давления типа МД – ТП, изготавливаемая на производстве ООО ЭПО «Сигнал». Круглая пластина изготавливается из материала 20Х13
ГОСТ 5632-72 и подвергается термическому упрочнению до твердости 48-50 HRC.
На рис. 3 изображена экспериментальная
установка. Сверху на станине установлена вертикальная направляющая, вдоль которой свободно
перемещается подвижный хомут с жестко сопряженным пьезокерамическим ультразвуковым преобразователем. На рабочем столе устанавливается
монтажная плита, которая крепится к станине четырьмя болтами М12.
Далее на монтажную плиту с помощью переходника, крепится измерительный тензометрический элемент для контроля подаваемой статической нагрузки P (Н). С помощью переходника
датчик давления типа МД – ТП устанавливается
на измерительный тензометрический элемент. На
конце ультразвукового преобразователя в цапфе с
Рис. 3 – Общий вид
помощью болтового соединения закреплен инэкспериментальной
установки
струмент в виде наконечника с плоским торцом,
изготовленного из материала ВК-8.
12
Ультразвуковой преобразователь при перемещении подвижного хомута по вертикальной направляющей имеет возможность через отверстие резьбового штуцера
датчика давления прижиматься к обрабатываемой поверхности круглой пластины.
Сила прижима обеспечивается специальным грузом, контролируемым в реальном
времени измерительным тензометрическим элементом.
Ультразвуковой преобразователь подключен к ультразвуковому генератору
«МЭФ 15».
Осуществлялся полный факторный эксперимент 23.
На основе результатов предварительных отсеивающих экспериментов установлены наиболее значимые факторы: сила прижатия наконечника к обрабатываемой
поверхности круглой пластины P(H), время воздействия ультразвуковых механических колебаний t (с), амплитуда колебаний ультразвукового инструмента A(мкм).
Контролируемым фактором являлась накопленная остаточная деформация круглой
пластины Δo(мкм). Нагрузка на пластину контролировалась электронным динамометром, на который устанавливалось приспособление с закрепленной в нем пластиной, амплитуда колебаний инструмента и пластины измерялась с помощью специального приспособления, в котором закреплялся индикатор часового типа с ценой
деления 1 мкм. Остаточная деформация также замерялась в специальном приспособлении путем определения расстояния центра пластины от базовой поверхности
оправки, в которой закреплялась пластина, до и после обработки.
В качестве математической модели процесса ультразвуковой стабилизации
остаточных напряжений использовались степенные зависимости. С целью обработки экспериментальных данных степенные зависимости путем логарифмирования
приводились к линейному виду.
Проверка значимости коэффициентов производилась на основе критерия Стьюдента. Проверка адекватности всей модели производилась с помощью критерия Фишера.
В четвертой главе приведены результаты и выполнен анализ экспериментальных исследований, определены рациональные условия ультразвуковой стабилизации
геометрических параметров круглых пластин.
На основе проведенных экспериментов и обработки экспериментальных данных в соответствии с вышеизложенной методикой получена регрессионная зависимость остаточной деформации круглой пластины Δo от описанных выше варьируемых факторов:
 o  1,34  10 3  t 0,12  A1,65  P 0,34 ,
(19)
где Δo – накопленная остаточная деформация круглой пластины, мкм; t – время обработки, с; A – амплитуда колебаний ультразвукового инструмента, мкм; P – внешняя нагрузка на пластину, Н.
Для выполнения расчетов по предложенной регрессионной зависимости
(19) и для построения графиков построена программа расчетов в среде MathCad
V15. На рис. 4-6 показаны графические
зависимости остаточной деформации
пластины Δo(мкм) от амплитуды A(мкм)
колебаний ультразвукового инструмента, силы прижатия наконечника к обрабатываемой поверхности круглой пла- Рис. 4 – Зависимость остаточной деформации
стины P(H) и времени t (с) ультразву- пластины Δo (t, A, P) от амплитуды A колебаний
ультразвукового инструмента
ковой стабилизации.
13
Как видно из графиков, основное влияние на накопленную остаточную деформации пластины оказывает амплитуда колебаний ультразвукового инструмента
(рис. 4). Чем меньше амплитуда колебаний, тем меньше накопленная деформация,
тем выше точность обработки. Но при этом требуется больше времени на стабилизацию деформации круговой пластины. Основная деформация круглой пластины
происходит на начальном отрезке времени обработки в диапазоне 1-3 секунды, а затем изменяется менее значительно (рис. 6). Это согласуется с результатами аналитических исследований, там же приводится объяснение механизма этого влияния.
Рис. 6 – Влияние времени t ультразвуковой
стабилизации на остаточную деформацию Δo
(t, A, P) круговой пластины
Рис. 5 – Зависимость остаточной деформации
пластины Δo (t, A, P) от внешней нагрузки P
При увеличении внешней нагрузки величина остаточной деформации круговой пластины возрастает (рис. 5), но несколько уменьшается потребное время обработки. Объясняется это влияние тем, что с возрастанием внешней нагрузки на
пластину увеличивается ее упругая деформация, возрастает затрачиваемая энергия, а это в соответствии с рассмотренным в главе 2 механизмом приводит к дополнительной остаточной деформации. В целом влияние этого фактора невелико –
при увеличении внешней нагрузки в 2 раза остаточная деформация возрастает всего на 10-20%.
Результаты расчетов остаточной деформации с использованием математических моделей, приведенных в главе 2, хорошо согласуются с экспериментальными данными. Теоретические значения остаточной деформации находятся в пределах доверительных границ экспериментальных значений, что подтверждает
адекватность математической модели. Разработана методика выбора рациональных условий ультразвуковой стабилизации круглых пластин.
В пятой главе приведены практические рекомендации и расчет техникоэкономической эффективности результатов исследования.
Показано, что областью практического применения полученных результатов
является производство высокоточных приборов, а именно датчиков для дистанционного контроля избыточного давления жидкости или газа. Предложены рациональные условия ультразвуковой стабилизации: t = 6 с; A = 0,01 мкм; P = 80 Н,
разработаны рекомендации по созданию промышленного оборудования для выполнения операции ультразвуковой стабилизации.
Оценка эффективности процесса стабилизации деформации упругих чувствительных элементов типа круглых пластин способом ультразвукового механического воздействия осуществлялась в ООО ЭПО «Сигнал». Выполнено многостороннее тестирование предлагаемой технологии как дифференцированно, так и
в изготовленном приемном узле датчика давления типа МД – ТП, в котором круглая пластина является упругим чувствительным элементом. По результатам те14
стирования предложено внедрение ультразвуковой технологии стабилизации
круглых пластин в производство ООО ЭПО «Сигнал».
Высокая экономическая эффективность от внедрения предлагаемой технологии достигается за счет многократного сокращения потребного времени обработки для достижения стабильности показаний датчика давления относительно базовой технологии, что позволяет повысить производительность труда и снизить
трудоемкость выполнения данной технологической операции. Потребное оборудование для практической реализации технологии ультразвуковой стабилизации
является высокотехнологичным, компактным и энергосберегающим, что способствует экономии энергоресурсов и производственных площадей и, как следствие,
снижает конечную себестоимость продукции.
Расчет экономического эффекта от практического использования предложенной технологии в условиях ООО ЭПО «Сигнал» показал, что при потребном
объеме выпуска датчиков давления типа МД – ТП в количестве 1000 шт. в год
экономический эффект составляет 700 тыс. руб. в год. Срок окупаемости капитальных вложений составляет 6 месяцев.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ:
1. Выявлен механизм изменения размерной точности круглых пластин, возникающих из-за асимметрии эпюр накопленной деформации относительно главных
осей поперечных и продольных сечений пластин, происходящих в процессе их технологической тренировки и при эксплуатации под действием циклических нагружений. Показано, что в результате одностороннего воздействия на круглую пластину
внешней нагрузки за счет явления гистерезиса в ней постепенно уменьшаются остаточные напряжения, но при этом накапливается остаточная деформация, которая
изменяет форму пластины.
2. Построена математическая модель процесса ультразвуковой стабилизации,
отражающая влияние основных технологических факторов, позволяющая научно
обосновать технологию ультразвуковой стабилизации накопленной деформации
круглых пластин, применяемых в приборах давления. Показано, что производительность процесса стабилизации остаточных напряжений можно существенно повысить, используя при ее технологической тренировке колебания высокой частоты, типа ультразвуковых колебаний, а остаточную деформацию пластины можно существенно уменьшить, используя колебания с малой амплитудой.
3. Предложена регрессионная зависимость основных показателей процесса
ультразвуковой стабилизации накопленной деформации в круглых пластинах от основных технологических факторов: внешней нагрузки, времени обработки и амплитуды колебаний ультразвукового инструмента. Полученная зависимость позволяет
контролировать процесс ультразвуковой стабилизации и формировать рациональные
режимы обработки.
4. Выполнено методическое обеспечение для определения рациональных условий ультразвуковой стабилизации круглых пластин различных типоразмеров.
5. Разработана технология ультразвуковой стабилизации накопленной деформации круглых пластин, позволяющая многократно снизить потребное время технологической тренировки приборов и связанные с этим затраты. Для круглой пластины
датчиков давления типа МД – ТП рекомендуемым режимом ультразвуковой стабилизации является: амплитуда ультразвуковых колебаний инструмента A = 0,01 мкм;
сила предварительного нагружения пластины P = 80 Н; время обработки t = 6 с при
частоте ультразвуковых колебаний f  18 кГц.
15
6. Технология ультразвуковой стабилизации деформации круглых пластин рекомендована к внедрению в технологический процесс стабилизации упругих чувствительных элементов датчиков давления типа МД – ТП Энгельсского приборостроительного объединения ООО «Сигнал». Расчетный годовой экономический эффект от
практического применения предложенной технологии составляет 700 тыс. рублей.
Результаты исследований опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ
1. Балтаев Т.А. Релаксация остаточных напряжений и стабилизация геометрических параметров кольцевых деталей [Текст] / Т.А. Балтаев, А.В. Королев, А.А. Королев, А.Ф. Балаев,
А.С. Яковишин, С.А. Савран, К.С. Нейгебауэр // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 6: в
2 ч. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. – С. 214-219.
2. Балтаев Т.А. Технология стабилизации остаточных напряжений в упругих чувствительных элементах приборов давления на основе применения ультразвуковой энергии [Текст] /
Т.А. Балтаев, А.В. Королев, А.А. Королев, А.Ф. Балаев, С.А. Савран // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2015. – № 12. – С. 39-41.
3. Baltayev T. A. Mathematical modeling of elastic hysteresis phenomenon in round plate in
presence of residual tension [Text] / T. A. Baltayev, A. V. Korolev, T. M. Mannapova // Procedia Engineering 150 (2016) 81-85.
Публикации в других изданиях
4. Балтаев Т.А. Сравнительный анализ ультразвукового и термического методов релаксации остаточных напряжений [Текст] / Т.А. Балтаев, А.В. Королев, А.Ф. Балаев, С.А. Савран,
А.С. Яковишин // Наука, технологии в современном мире: материалы II Междунар. науч.-практ.
конф., Уфа, 30 – 31 июля 2015 г. – Уфа: РИО ИЦИПТ, 2015 – С. 47-50.
5. Современные тенденции в развитии оборудования и приборов для снятия и контроля
остаточных напряжений. [Текст] / Т.А. Балтаев, А.В. Королев, А.А. Королев, А.Ф. Балаев, С.А.
Савран, Е.В. Мухина, Б.Т. Шакешев, К.А. Нариков, Б.Н. Салимов // Машиностроение: сетевой
электронный научный журнал. – 2015. – Т. 3. – № 3. – С. 42-46.
6. Балтаев Т.А. О применимости энергии ультразвука в оптимизации технологических
процессов релаксации остаточных напряжений [Текст] / Т.А. Балтаев, А.В. Королев,
А.Ф. Балаев, Н.Т. Самигулаева // Наука и образование: научно-практический журнал Западно-Казахстанского аграрно-технического университета им. Жангир хана. – 2015. – № 3 (40). – С.
55-58. ISSN 2305-9397
7. Балтаев Т.А. Исследование эффективности ультразвука в процессе релаксации остаточных напряжений [Текст] / Т.А. Балтаев // Наука и образование: научно-практический журнал
Западно-Казахстанского аграрно-технического университета им. Жангир хана. – 2016. –
№ 1 (42). – С. 188-122. ISSN 2305-9397
8. Балтаев Т.А Моделирование оптимальных условий в процессе релаксации остаточных напряжений в круглых упругих пластинах под воздействием ультразвуковых колебаний
[Текст] / Т.А. Балтаев // Наука и образование: научно-практический журнал ЗападноКазахстанского аграрно-технического университета им. Жангир хана. – 2016. – № 2 (43). –
С. 96-100. ISSN 2305-9397
Подписано в печать 10.11.16
Формат 60×84 1/16
Бум. офсет.
Усл. печ. л. 1,0
Уч.-изд. л. 1,0
Тираж 100 экз.
Заказ 83
Бесплатно
Саратовский государственный технический университет
410054, Саратов, Политехническая ул., 77
Отпечатано в Издательстве СГТУ: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77.
Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru
16
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа