Визначено роль і місце матеріалознавчих і конструкторсько-технологічних напрямків підвищення працездатності виробів машинобудування, що враховують сучасні досягнення в області наноматеріалів і нанотехнологій, а також динамічний моніторинг верстатного обладнання.

Анотація наукової статті за технологіями матеріалів, автор наукової роботи - Бутенко Віктор Іванович, Гусакова Ліана Валеріївна, Дуров Дмитро Сергійович, Захарченко Анатолій Данилович, Рибінська Тетяна Анатоліївна


MATERIAL-SCIENTIFIC AND CONSTRUCTIONAL-TECHNOLOGICAL DIRECTIONS OF INCREASE OF CAPACITY FOR WORK OF MACHINE-BUILDING WARES

Defined role and place of material-scientific and constructional-technological directions of increase of capacity for work of machine-building wares, taking into account modern achievements in nanomaterials and nanotechnologies, also dynamic monitoring of machine-tool equipment.


Область наук:
  • технології матеріалів
  • Рік видавництва: 2011
    Журнал: Известия Південного федерального університету. Технічні науки
    Наукова стаття на тему 'Матеріалознавчі і конструкторсько-технологічні напрямки підвищення працездатності виробів машинобудування'

    Текст наукової роботи на тему «Матеріалознавчі і конструкторсько-технологічні напрямки підвищення працездатності виробів машинобудування»

    ?Конопльов Борис Г еоргіевіч

    Технологічний інститут федерального державного автономного освітнього закладу вищої професійної освіти «Південний федеральний університет» в м Таганрозі.

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    347900, м Тагаганрог, пров. Некрасовський, 44.

    Тел .: 88634371767.

    Факультет електроніки та приладобудування; декан; д.т.н .; професор.

    Денисенко Марк Анатолійович

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    Кафедра конструювання електронних засобів; аспірант.

    Риндін Євген Адальбертович

    Південний науковий центр Російської академії наук, м Ростов-на-Дону.

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    344006, г. Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41.

    Тел .: 88634311584.

    Провідний науковий співробітник; д.т.н .; доцент.

    Konoplev Boris Georgievich

    Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education "Southern Federal University".

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347900, Russia.

    Р ^ ге: +78634371767.

    College of Electronics and Electronic Equipment Engineering; Dean; Dr. of Eng. Sc .; Professor.

    Denisenko Mark Anatolievich

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    The Department of Electronic Apparatus Design; Postgraduate Student.

    Ryndin Eugeny Adalbertovich

    Southern Scientific Center of Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don.

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    41, Chekhov Street, Rostov-on-Don, 344006, Russia.

    Phone: +78634311584.

    Senior Researcher; Dr. of Eng. Sc .; Associate Professor.

    УДК 621.002: 621.941.2-82.192

    В.І. Бутенко, Л. В. Гусакова, Д.С. Дуров, А. Д. Захарченко, Т.А. Рибінська,

    Р.Г. Шаповалов

    Матеріалознавчий І КОНСТРУКТОРСЬКО-ТЕХНОЛОГІЧНІ НАПРЯМКИ ПІДВИЩЕННЯ ПРАЦЕЗДАТНОСТІ ВИРОБІВ

    МАШИНОБУДУВАННЯ

    Визначено роль і місце матеріалознавчих і конструкторсько-технологічних напрямків підвищення працездатності виробів машинобудування, що враховують сучасні досягнення в галузі наноматеріалів і нанотехнологій, а також динамічний моніторинг верстатного обладнання.

    нанотехнологія; наноматеріали; покриття; трибосистеми; надійність; динамічний моніторинг.

    V.I. Butenko, L.V. Gusakova, D.S. Durov, A.D. Zakharchenko, T.A. Rybinskaya,

    R.G. Shapovalov

    MATERIAL-SCIENTIFIC AND CONSTRUCTIONAL-TECHNOLOGICAL DIRECTIONS OF INCREASE OF CAPACITY FOR WORK OF MACHINE-BUILDING WARES

    Defined role and place of material-scientific and constructional-technological directions of increase of capacity for work of machine-building wares, taking into account modern achievements in nanomaterials and nanotechnologies, also dynamic monitoring of machine-tool equipment.

    Nanotechnology; nanomaterials; covers; tribosystems; reliability; dynamic monitoring.

    Сучасний розвиток машинобудування відрізняється високою динамічністю і перспективністю в різних його галузях. При цьому різко підвищуються вимоги до робочих параметрах створюваних машин, їх надійності і працездатності в різних умовах експлуатації. Бурхливими темпами починає розвиватися нанотехнологія, створюючи все нові і нові наноматеріали, принципово змінюють уявлення про матеріалознавстві і технології обробки конструкційних матеріалів. У цих умовах стає дуже актуальним розробка матеріалознавчих і конструкторсько-технологічних заходів, спрямованих на підвищення працездатності виробів машинобудування.

    Відомо, що в багатьох технологічних процесах, в тому числі використовуваних в атомній і авіакосмічній техніці, в двигунобудування і багатьох інших галузях машинобудування, експлуатація деталей протікає в екстремальних умовах при високому тиску, температурах і дії агресивних середовищ. В таких умовах дуже перспективним може стати використання різних нанотехнологій зміцнення поверхонь деталей машин. При цьому доцільність вибору того чи іншого способу поверхневого зміцнення деталі залежить від ряду факторів, серед яких найважливішими є фізико-механічні властивості матеріалу деталі, форма і геометричні розміри оброблюваних поверхонь, наявність на підприємстві того чи іншого типу обладнання.

    Дослідженнями встановлено, що якщо піддати поверхню виробу з залізовуглецевого сплаву зміцнюючої обробки методом наноструктурування, то в оброблюваному матеріалі відбувається локальна перебудова кристалічної решітки з утворенням кластерного композиту, що складається з власних атомів, але має іншу кристалічну симетрію. Створюється радіаційно-індуковане стан матеріалу поверхневого шару деталі, при якому в околиці впроваджених радіаційних точкових дефектів утворюються малі кластери, армуючі основну матрицю. Формування такої нанокластерних морфології супроводжується суттєвими змінами форми рентгендифракційному ліній, що може служити тестовим ознакою появи кластерного композиту і методично зручним способом реєстрації області його існування на шкалі радіаційних параметрів. Така технологія зміцнення конструкційних матеріалів може бути використана для захисту поверхонь деталей з титанових і високолегованих сплавів, застосовуваних при виготовленні лопаток турбін, заслінок і інших деталей, що експлуатуються при температурі до 1 000 ° С.

    У вигляді мастильних високодисперсних твердих добавок наноматеріали можуть знайти застосування для підвищення працездатності підшипників ковзання, що експлуатуються в екстремальних умовах. Найбільшого поширення в якості таких твердих добавок отримали шаруваті наповнювачі кристалічної структури: графіт, дисульфід молібдену, нітрид бору. особливо ефективним

    виявилося нанесення на поверхні, що труться контактируемих деталей керамікоподобних покриттів і їх зміну нанорозмірними компонентами різної природи, наприклад, вуглецевими Наномодифікатори - фулеренами С60 і С70. Встановлено, що застосування зазначених фулеренів особливо перспективно для вирішення різних триботехнических завдань, пов'язаних з формуванням на поверхнях деталей захисних плівок, що володіють низьким коефіцієнтом тертя.

    У практиці машинобудування добре зарекомендували себе тонкоплівкові покриття на основі алмазо- і графітоподобних вуглецевих фаз, модифікованих різними металевими (зокрема, мідними) добавками. Отримувані способом імпульсного вакуумно-дугового осадження вуглецеві плівки-покриття товщиною 0,01-0,05 мкм з присутньої в них алмазоподобной фракцією містять від 2 до 6 ат. % Міді сприяють суттєвому підвищенню несучої здатності поверхонь деталей трибосистем. Встановлено, що застосування наноалмазов покращує фізико-механічні властивості гідродинамічних плівок масел, в структурі яких вони знаходяться, завдяки двом основним властивостям - малому розміру (високої питомої поверхні і ступеня дисперсності в середовищі) і високої поверхневої енергії. У той же час наноал-Мазне частки, що володіють певною ріжучої здатністю в режимі субмікрорезанія, грають особливо активну роль в процесі підробітки і «заліковування» мікродефектів поверхонь деталей, в тому числі новостворених. Це процес практично закінчується при досягненні певної фактичної площі контакту, при якій реалізується напіврідинних або рідинний режим змащування.

    Утворені в зоні контакту взаємодіючих матеріалів кластерні наноструктури [1] мають ряд властивостей, що дозволяють по-новому вирішити ряд практичних завдань в нанотрібологіі, особливо для трибосопряжений, що знаходяться в екстремальних умовах експлуатації. Так, дослідження стану та топографії поверхні тертя, а також розмірів, форми і розташування кластерних наноструктур методами ОЖБ-спектроскопії, FTIR-спектроскопії і атомно-силової мікроскопії з використанням зондового мікроскопа Solver P47H і растрового електронного мікроскопа Quanta 200 дозволили виявити ефект «нанотрібологіче-ської ями », при якому для кожної пари тертя і умов експлуатації існує цілком певна оптимальна товщина мастильного шару, що забезпечує мінімальний коефіцієнт тертя взаємодіючих матер іалов. Цей ефект особливо важливо враховувати при використанні в важко навантажених підшипниках ковзання і опорах як в'язкопружного мастила легкоплавкие сплави, наприклад сплав Вуда. Одночасно встановлено, що ефект «нанотрібологіческой ями» посилюється, якщо утворюються в зоні контакту наноструктури за своїм фазовим складом відповідають евтектичним структурам взаємодіючих матеріалів. При цьому товщина евтектичного шару повинна бути такою, щоб забезпечувала максимальну суцільність утворюються при заданих умовах експлуатації кластерних наноструктур. Отримані наступні емпіричні залежності, що дозволяють встановити зв'язок товщини спричинених евтектичного шару Hc від умов експлуатації (p, VCK, ©) і початкового стану поверхневого шару деталі (Ra, рнан, величини і знака технологічних напружень Аост):

    | Еплав Pb - Sb, діапазони зміни умов експлуатації - p = 1,5-4,5 МПа; VCK = 0,1-0,5 м / с; © = 200-600 ° С

    нс = 2,31 • 10-3 У, 28ксК75 © 0ДХ0, Б4 (рнан • 10-10) 0,41 х

    х (+ ^ c -10-2) 0,36 v (-аост-10-2) 0,57, мм;

    | Сплав Sn - Zn, діапазон зміни умов експлуатації - p = 2,0-5,0 МПа;

    V ^^ - l ^ м / с; © = 150-500 ° С.

    Нс = 3,08 - 1Q-3 р ^ УТ © 019 ^^ - 10-1<Т39 X

    X (+ Gn • 1Q-2) 0'39 V (-GOCm -1Q-2 ^ 0,56, мм.

    Наведені емпіричні залежності були апробовані у виробничих умовах при розробці конструкторсько-технологічних заходів по підвищенню надійності металургійного та металообробного обладнання. Підконтрольна промислова експлуатація зазначених виробів показала, що нанесення на поверхні важко навантажених деталей вузлів тертя різних покриттів евтектичного складу дозволяє в 1,5-2 рази підвищити їх технічний ресурс і довести вірогідність безвідмовної роботи за напрацювання 1 000 годину. до 0,98.

    Забезпечення необхідного рівня надійності вироби машинобудування може бути досягнуто багатьма технічними прийомами, реалізація кожного з яких вимагає певних витрат. В результаті виникає завдання техніко-економічні надійності машини або механізму і визначення витрат на їх виготовлення. Запропоновано критерій технічного рівня виробу K, за значенням якого можуть призначатися конструктивні і технологічні заходи, що забезпечують необхідні показники надійності, якості та інших характеристик машини або механізму:

    K = P (t) Tma ^, m

    де P (t) - необхідна ймовірність безвідмовної роботи вироби;

    Tmax - максимальний крутний момент;

    m - маса виробу.

    В якості технологічних заходів щодо забезпечення необхідних показників надійності і якості виробів машинобудування слід вважати вдосконалення процесів шліфування деталей, що виготовляються з низьковуглецевих легованих сталей і хромонікелевих сплавів. При цьому надзвичайно важливим є вивчення енергетичного стану матеріалу поверхневого шару оброблюваної деталі і виявлення схильності його до накопичення прихованої енергії деформування. Цього можна досягти при дослідженні епюр температурних полів, отриманих при різних видах шліфування, шляхом їх зіставлення, визначення стабілізаційного ділянки поширення тепла і стану показників якості матеріалу поверхневого шару деталі, від яких залежить можливість і ефективність управління нанотрібологіческімі характеристиками в зоні контакту взаємодіючих матеріалів трибосистем.

    Вельми перспективним напрямком створення в зоні контакту взаємодіючих матеріалів трибосистем керованих кластерних наноструктур є використання магнітного поля і ультразвукових коливань [2,3]. З фізичної точки зору основний ефект в результаті дії магнітного поля на магнітовоспріімчівие матеріали пов'язаний зі здатністю його змінювати морфологію продуктів тертя, їх структуру і фазовий склад. Внаслідок цього представляє великий практичний інтерес використання зовнішнього магнітного поля для зміни феромагнітних властивостей мікрооб'ємів матеріалів поверхневих шарів контактуючих в трибосистеми деталей із сталей і сплавів. Передбачається, що в умовах високих тисків, швидкостей ковзання і температур експлуата-

    ції формування наноструктурних шарів в контактній зоні взаємодії матеріалів трибосистем під впливом зовнішнього магнітного поля відбувається мимовільне виникнення флуктуацій далекого феромагнітного порядку ( «рої» спинив). У загальному випадку «рої» спинив є малі (однодоменних) феромагнітні області, періодично виникають і анігілюють по статичним законам. Ці області сумірні з утворюються наноструктурами, представляють їх ансамблі та називаються феромагнітними нанокластерами.

    Попередні випробування показали, що створення в зоні контакту взаємодіючих матеріалів трибосистеми змінного магнітного поля напруженістю 50 кА / м дозволяє майже в 2 рази знизити інтенсивність зношування поверхневого шару деталей з жароміцного сплаву ЖС26ВСНК.

    Вплив ультразвукового поля на стан матеріалу в зоні його дії пов'язано, з одного боку, збільшенням числа дислокацій під дією знакозмінних напружень, що сприяє зміцненню матеріалу, з іншого боку - збільшення їх рухливості, тобто призводить до знеміцнення металу. Дослідження показують, що ультразвукові коливання призводять до подрібнення наноструктур в зоні контакту взаємодіючих матеріалів і зниження інтенсивності їх зношування. Проте найвідчутніше це проявляється тільки в певних діапазонах частоти і амплітуди ультразвукових коливань, характерних для кожного поєднання взаємодіючих матеріалів.

    На жаль, широке застосування способу підвищення зносостійкості матеріалів трибосистем шляхом накладення на кону контактування ультразвукових коливань стримується необхідністю мати спеціальний мобільний генератор ультразвукових коливань. Проте вже зараз можна визначити галузі машинобудування та конструкції виробів, в яких можливо успішне застосування ультразвуку. До них в першу чергу відносяться вузли тертя стаціонарних газотурбінних установок, прокатних станів, технологічного обладнання атомного машинобудування, а також стаціонарних робототехнічних установок, до яких пред'являються високі вимоги до забезпечення та підтримання точності позиціонування робочих органів.

    Мал. 1. Схема динамічного моніторингу роботизованого металорізального

    верстата

    Дослідження показують [4,5], що якісні показники поверхневого шару деталей багато в чому визначаються станом металообробного обладнання і систем, пов'язаних з ним. У зв'язку з цим розроблена система динамічного моніторингу роботизованих верстатів в автоматизованому виробництві, схема якої представлена ​​на (рис. 1). Доведено, що застосування в практиці сучасної металообробки пропонованого динамічного моніторингу може стати основою підвищення ефективності використання не тільки експлуатованого верстатного обладнання на конкретно діючому підприємстві машинобудування, а й новостворюваних верстатів і промислових роботів для них на основі розробки заходів по цілеспрямованої корекції динамічного впливу пов'язаних процесом різання формотворчих підсистем. При цьому швидкість і гнучкість запропонованих алгоритмів динамічного моніторингу дозволяють приймати управлінські рішення щодо забезпечення необхідних показників якості оброблюваних деталей в режимі прямого управління роботизованими верстатами без зупинки всього виробництва.

    БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК

    1. Бутенко В.І. Наукові основи нанотрібологіі. - Таганрог: Изд-во ТТІ ПФУ 2010.

    - 275 з.

    2. Бернштейн М.Л., Пустовойт В.Н. Термічна обробка сталевих виробів в магнітному полі. - М .: Машинобудування, 1987. - 254 с.

    3. Кисельов Е.С. Інтенсифікація процесів механічної обробки використанням енергії ультразвукового поля: Навчальний посібник. - Ульяновськ: Изд-во УГТУ, 2003.

    - 186 з.

    4. Жарков І.Г. Вібрації при обробці лезвийні інструментом. - Л .: Машинобудування, 1986. - 184 с.

    5. Бутенко В.І., Захарченко А.Д., Гусакова Л.В., Шаповалов Р.Г., Подножкіна В.Н. Перспективи управління експлуатаційними властивостями деталей машин // Известия ПФУ. Технічні науки. - 2009. - № 1 (90). - C. 164-171.

    Статтю рекомендував до опублікування д.т.н., професор В.В. Гусєв.

    Бутенко Віктор Іванович

    Технологічний інститут федерального державного автономного освітнього закладу вищої професійної освіти «Південний федеральний університет» в м Таганрозі.

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    347928, м Таганрог, пров. Некрасовський, 44.

    Тел .: 88634376122.

    Кафедра механіки; професор.

    Гусакова Ліана Валеріївна

    Кафедра механіки; асистент.

    Дуров Дмитро Сергійович

    Кафедра механіки; завідувач кафедри.

    Захарченко Анатолій Данилович

    Кафедра механіки; провідний інженер.

    Рибінська Тетяна Анатоліївна

    Кафедра механіки; асистент.

    Шаповалов Роман Г рігорьевіч

    Кафедра механіки; доцент.

    Butenko Victor Ivanovich

    Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education "Southern Federal University".

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    44, Nekrasovsky, Taganrog, 347928, Russia.

    Phone: +78634371622.

    The Department of the Mechanics; Dr. of Eng. Sc .; Professor.

    Gusakova Liana Valeryevna

    The Department of the Mechanics; Assistant.

    Durov Dmitry Sergeyevich

    The Departament of Mechanics; Head the Department.

    Zakharchenko Anatoly Danilovich

    The Department of Mechanics; Leading Engineer.

    Rybinskaya Tatyana Anatolyevna

    The Department of Mechanics; Assistant.

    Shapovalov Roman Grigoryevich

    The Department of the Mechanics; Cand. of Eng. Sc .; Associate Professor.

    УДК 539.217.5: 546.28

    Т.Н. Назарова, В.В. Петров, О.В. Заблуда, Г.Е. Яловега,

    В.А. Смирнов, Н.І. сербу

    ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ І електрофізичних властивостей МАТЕРІАЛІВ СКЛАДУ SIO2CUOX *

    Проведено дослідження нанокомпозитних матеріалів складу SiO2CuOx, синтезованих золь-гель методом у вигляді плівок. Методом фотоелектронній спектроскопії вивчені фазовий склад і оксидне стан міді. Показано, що мідь в плівках знаходиться, переважно, у вигляді оксидів Cu20 і CuO з розмірами кристалітів 30-40 нм. Методами атомно-силової та електронної мікроскопії вивчені морфологія поверхні і структура зразків в залежності від вмісту міді. Показано, що при концентраціях міді 3, 5, 7 мас. % Плівки мають пористу структуру. Вивчено електрофізичні властивості, що визначають їх напівпровідникову природу. Розраховані енергія активації і ширина забороненої зони

    Mатеріал; фізико-хімічні властивості; електрофізичні властивості.

    T.N. Nazarova, V.V. Petrov, O.V. Zabluda, G.E. Yalovega,

    V.A. Smirnov, N.I. Serbu

    RESEARCH OF PHYSICAL AND CHEMICAL, ELECTROPHYSICAL PROPERTIES SIO2CUOX MATERIALS

    Researches of nanocomposite SiO2CuOx materials, synthesized by sol-gel method were carried out. To investigate the phase composition and oxidation states of the copper the method photoelectron spectroscopy has been applied. In the films, presence of CuO and Cu O phases with the size of crystallite phase about 30-40 nm was found. Surface morphology and the films structure depending on the copper concentration were investigated by means of atom-force and electron

    * Дана робота виконана за фінансової підтримки Федерального агентства з науки та інновацій (ФЦП «Наукові та науково-педагогічні кадри інноваційної Росії на 2009-2013 роки», державний контракт № 02.740.11.0122).


    Ключові слова: НАНОТЕХНОЛОГІЯ / наноматеріали / ПОКРИТТЯ / трибосистеми / НАДІЙНІСТЬ / ДИНАМІЧНИЙ МОНІТОРИНГ / NANOTECHNOLOGY / NANOMATERIALS / COVERS / TRIBOSYSTEMS / RELIABILITY / DYNAMIC MONITORING

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити