Прогрессивные технологии и системы машиностроения by Донецкий политехник (Донецкий национальный технический университет)

ISSN 2073-3216 (E) ISSN 2518-7120

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ДНР ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Международный сборник научных трудов Основан в декабре 1994 года Выходит 4 раза в год

Выпуск 1 (64)’ 2019

Донецк – 2019

УДК 621.01(06) Рекомендован к изданию Ученым Советом Донецкого национального технического университета (протокол № 1 от 22 февраля 2019 г.)

В международном сборнике научных работ приведены некоторые вопросы теории и практики обработки изделий прогрессивными методами, показаны достижения и пути развития технологического оборудования, оснастки, металлорежущего инструмента и нанесения специальных покрытий на изделия машиностроения. Рассмотрены отдельные аспекты автоматизации производственных процессов и надежности технологического оборудования. Освещены современные проблемы материаловедения в машиностроении. В данном сборнике публикуются ученые и ведущие специалисты из различных стран мира. Предназначен для научно-технических работников, ИТР и специалистов в области машиностроения. Учредитель и издатель – Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донецкий национальный технический университет» (Свидетельство о государственной регистрации юридического лица от 07.04.2016 г. № 029192 серия АА03). Издается при содействии Международного союза машиностроителей РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ: Михайлов А.Н. (гл. редактор), Гусев В.В. (зам. гл. редактора), Лахин А.М. (секретарь) (ДНР), Байков А.В. (ДНР), Бахадиров Г.А. (Узбекистан), Братан С.М. (Россия), Буленков Е.А. (ДНР), Бутенко В.И. (Россия), Витренко В.А. (ЛНР), Горобец И.А. (ДНР), Грубка Р.М. (ДНР), Данияров Н.А. (Казахстан), Еронько С.П. (ДНР), Ивченко Т.Г. (ДНР), Коваленко В.И. (ДНР), Курбанов Х.К. (Туркменистан), Ищенко А.Л., Мазуру С. (Молдова), Маляренко А.Д. (Беларусь), Мельникова Е.П. (ДНР), Навка И.П. (ДНР), Неделку Д. (Румыния), Поветкин В.В. (Казахстан), Прутяну О. (Румыния), Родованович М. (Сербия), Сидорова Е.В. (ДНР), Суслов А.Г. (Россия), Тока О. (Молдова), Федонин О.Н. (Россия), Хандожко А.В. (Россия), Чернышев Е.А. (ДНР), Шабаев О.Е. (ДНР) Адрес редакции: ДНР, 83001, г. Донецк, ул. Артема, 58, ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, кафедра ТМ. Тел.: +38 062 301-08-40, E-mail: tm@fimm.donntu.org, Сайт: http://ptsm.donntu.org Сборник (E) зарегистрирован в Министерстве информации Донецкой Народной Республики. Свидетельство о регистрации СМИ от 20 апреля 2017 г., серия ААА № 000125. Сборник включен в перечень рецензируемых изданий ВАК ДНР (приказ №744 от 24.07.2017 г.), в котором могут публиковаться результаты диссертационных работ на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, а также в базу данных РИНЦ (Российский индекс научного цитирования) (лицензионный договор № 177-04/2013 от 12.04. 2013 г.)

ISSN 2073-3216 ISSN 2518-7120 (E)  Авторы статей, 2019  ГОУ ВПО «Донецкий национальный технический университет», 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

УДК 621.923:536.2 1

В. И. Бутенко, д-р техн. наук, проф., 2 Р. Г. Шаповалов, канд. техн. наук, доц. 1 Донской государственный технический университет 2 Южный Федеральный университет 1 E-mail: tag.tm@donstu.ru 2 E-mail: shapovalov116@mail.ru АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ Выполнено аналитическое исследование энергетического состояния материала поверхностного слоя деталей, подвергнутого деформированию в процессе механической обработки, и получены формулы теоретического определения удельной энергии деформации и интенсивности накопления еѐ в материале поверхностного слоя обрабатываемой детали, по величине которых можно судить о технологической совместимости модифицированных и многокомпонентных функциональных слоѐв, наносимых на деталь, с материалом поверхностного слоя. Ключевые слова: деталь, напряжѐнное состояние, материал, энергия, деформация, поверхностный слой, энергоѐмкость. V. I. Butenko, R. G. Shapovalov ANALYTICAL STUDY OF THE ENERGY STATE OF MATERIAL SURFACE LAYER An analytical study of the energy state of the material of the surface layer of parts subjected to deformation in the process of machining is performed, and formulas for the theoretical determination of the specific energy of deformation and the intensity of its accumulation in the material of the surface layer of the workpiece are obtained, the magnitude of which can be judged on the technological compatibility of the modified and multicomponent functional layers applied to the part with the material of the surface layer. Keywords: part, stress state, material, energy, deformation, surface layer, energy intensity.

1. Введение Исследованиям энергетического состояния материала поверхностного слоя деталей посвящено много работ, выполненных разными научными школами в области технологии машиностроения, металлообработки и контактного взаимодействия материалов [1 – 4]. Из существующего множества теорий и объяснений наличия поверхностной энергии обработанной детали наиболее приемлемым является объяснение энергетического состояния материала поверхностного слоя с точки зрения теории деформационного упрочнения, согласно которой энергетическое состояние материала обработанной поверхности детали и математическая модель расчѐта так называемой скрытой энергии деформации определяется по параметрам кривой деформационного течения материала [3 – 5]. Однако в настоящее время отсутствуют формулы и методы определения удельной энергии деформации и интенсивности накопления еѐ в материале поверхностного слоя детали при выполнении технологических операций обработки и эксплуатации, по величине которых можно судить о технологической совместимости модифицированных и многокомпонентных функциональных слоѐв, наносимых на деталь, с материалом поверхностного слоя. 1. Основное содержание и результаты работы В общем случае с позиции качественного рассмотрения модель формирования энергетического состояния материала поверхностного слоя детали можно представить © Бутенко В.И., Шаповалов Р.Г.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

следующим образом. В процессе механической обработки детали под воздействием инструмента и энергонесущей среды (например, магнитного поля или ультразвуковых колебаний) в материале поверхностного слоя происходят изменения, приводящие к формированию его нового состояния, определяющего в дальнейшем эксплуатационные свойства детали. Из работ [2 – 5] следует, что энергетическое состояние материала поверхностного слоя обработанной детали зависит от его напряжѐнного состояния. На рис. 1 приведено типовое распределение компонент тензора остаточных напряжений по толщине поверхностного слоя детали, подвергнутой механической обработке. Очевидно, что деформированное состояние материала поверхностного слоя детали связано с его

Рисунок 1. Распределение компонент тензора остаточных напряжений σx, σy, σz, σxy по толщине поверхностного слоя детали ΔH внутренней энергией Эд, определяемой суммой двух составляющих: потенциальной (скрытой) Эп и кинетической (тепловой) Эт энергиями, тесно связанными между собой. В связи с этим для оценки и прогнозирования эксплуатационных свойств поверхностного слоя детали необходимо учитывать внутреннюю энергию Эд, запасѐнную в деформированном материале поверхностного слоя, прошедшего все этапы обработки. Согласно данным, приведѐнным в работе [5] , энергетическое состояние деформированного материала поверхностного слоя детали может быть представлено следующей зависимостью: э( H , t )

э0 ( H ,0)

э( H , t i )dt,

i 1 0

(1) где э(ΔН, t) – плотность внутренней энергии элемента поверхностного слоя детали, подвергнутой механической обработке; э(ΔН, 0) – плотность внутренней энергии в элементе поверхностного слоя детали в исходном состоянии при t = 0 с учѐтом наследственных свойств материала; э(ΔН, ti)dt – скорость изменения плотности внутренней энергии в элементе поверхностного слоя при его деформировании за время ti по толщине ΔН; Ni – число циклов силового нагружения материала поверхностного слоя детали при выполнении заданной операции механической обработки. Для количественной оценки энергетического состояния материала поверхностного слоя детали можно воспользоваться аналогией между процессами поглощения энергии кристаллической решѐтки при механическом воздействии и при нагреве, что справедливо, так как в том и другом случаях нарушение межатомных связей наступает

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

именно в результате поглощения кристаллической решѐткой внутренней энергии Э, значение которой может быть определено по формуле S

cpd

E пл ,

(2) где Θп – начальная температура пластической деформации; ΘS – температура плавления материала детали; ср – удельная теплоѐмкость материала обрабатываемой детали; Епл – скрытая теплота плавления. п

Величина

cpd

характеризует изменение теплосодержания обрабатываемого

материала детали при нагреве его в процессе деформации от заданной температуры до температуры плавления и расходуется на возбуждение атомных колебаний критической величины без нарушения межатомных связей. Как известно, эти нарушения возникают в тех случаях, когда кристаллическая решѐтка поглощает дополнительную энергию, равную скрытой теплоте плавления Епл [5]. Таким образом, можно считать, что энергетическое состояние материала поверхностного слоя детали формируется в результате одновременного воздействия на него теплового и деформационного факторов, причѐм последний может быть выражен через показатель дислокационной насыщенности Кρ, характеризующий искажение кристаллической решѐтки. Об этом свидетельствуют результаты исследования зависимости удельной энергии деформирования Эуд от Кρ и Θ при различных способах обработки детали (рис. 2).

Рисунок 2. Зависимость удельной энергии деформирования Эуд от Кρ и Θ Если принять, что удельная энергия, затраченная на искажение кристаллической решѐтки, не зависит от вида подводимой энергии (тепловой или механической), то величина энергии Е*, которую способна поглотить кристаллическая решѐтка, может быть определена по формуле S

cpd

E 293 ,

(3) где ЕΘS – теплосодержание (энтальпия) обрабатываемого материала в твѐрдом состоянии при температуре ΘS; Е293 – энтальпия материала при температуре 293К. п

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Если принять, что Е* ≈ Э, то работа А(t), затраченная на изменение энергетического состояния элемента поверхностного слоя детали для конкретных условий обработки определится по формуле A(t ) (1 K тпд )( E * Э0 ), (4) где Ктпд – коэффициент, учитывающий величину тепловой энергии пластической деформации, не задерживаемой в деформируемом элементе материала поверхностного слоя детали; по данным американских учѐных Гринвуд Д. и Трипп Е. значение коэффициента Ктпд = 3,5 – 4,0; Э0 – внутренняя энергия недеформируемого материала. Следует отметить, что такая аналогия правомерна только на уровне локальных объѐмов материала поверхностного слоя обрабатываемой детали, которые обладают удельной энергией предельной величины. Перенос еѐ на уровень больших объѐмов, соизмеримых с величиной vд.м. = ∆Н×S0×Кн (здесь ∆Н – средняя толщина поверхностного слоя детали; S0 – площадь обработанной поверхности детали; Кн – коэффициент неравномерности толщины поверхностного слоя по площади обработанной поверхности детали) не правомерен вследствие того, что в процессе простого нагрева энергия поглощается элементарным объѐмом (например, кристаллической решѐткой) практически равномерно по всему объѐму, в то время, как при упруго-пластической деформации изза анизотропности и несовершенства кристаллической решѐтки по всему объѐму vд.м. происходит неравномерное поглощение энергии. Пусть при подведении механической энергии к обрабатываемой детали процессом упруго-пластической деформации будет охвачен объѐм vд.м., состоящий из ограниченного (известного) числа элементарных объѐмов (например, кристаллических решѐток). Тогда энергия искажения кристаллической решѐтки экр, произошедшая в объѐме v, может быть определена по формуле [6]: экр = v×∆ЕΘS, (5) где ∆ЕΘS – изменение энтальпии материала поверхностного слоя обрабатываемой детали. Теоретически величина ∆ЕΘS может быть определена из следующих известных уравнений термодинамики: E

(

дE S ) dv дv

дE д

д ; E

дE д

dv v

d ,

(6)

где А – работа, затраченная на изменение энергетического состояния материала поверхностного слоя в процессе обработки детали; cv – объѐмная теплоѐмкость материала поверхностного слоя детали. В общем случае работа А может быть определена по формуле (4), а объѐмная теплоѐмкость материала поверхностного слоя сv находится из следующего уравнения термодинамики: ∆Q = сv ∙dΘ + А р∙dv, (7) где ∆Q – количество тплоты, полученной при деформировании материала поверхностного слоя в процессе обработки детали; определяется методом калориметрирования [7]. Каждый единичный (локальный) объѐм материала поверхностного детали в охватываемом упруго-пластической деформацией объѐме v (за исключением критического объѐма искажения) накапливает в процессе механической обработки какую-то долю энергии искажения, численно равную m×∆ЕΘS, где множитель m зависит от глубины залегания локального объѐма h в пределах рассматриваемого объѐма v и изменяется от 1 при h = ∆Н до 0 на границе поврхностного слоя детали. Если принять m =

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

m(h), то величину энергии эv поглощѐнную локальным объѐмом v по толщине ∆Н, можно определить по формуле H

эv

m(h)dh.

(8)

Если просуммировать выражения (5) и (8), то формула для определения общей энергии локального объѐма материала поверхностного слоя детали э(h), находящегося на глубине h, после соответствующего преобразования будет иметь вид: U

э(h) экр

эv

E S (1

m(h)dh).

(9)

По существу, формула (9) представляет собой зависимость, по которой можно теоретически можно определять удельную величину накопленной энергии деформации Эуд. Для определения общей энергоѐмкости материала поверхностного слоя обработанной детали Э∑ необходимо в формулу (9) вместо объѐма v подставить объѐм деформированного материала vд.м.: H

Н S0

m(h)dh) К н .

E S (1

(10)

Для количественного определения изменения энтальпии материала поверхностного слоя детали ∆ЕΘS, энергии E*, поглощѐнной кристаллической решѐткой, и других величин теплосодержания материала может быть использован калориметрический метод, разработанный проф. А.Н. Резниковым и описанный в работе [7]. Выполнены сравнительные исследования определения энергоѐмкости материала поверхностного слоя обработанной детали Э∑ расчѐтным путѐм по формуле (10) и экспериментально с использованием двухстадийного дифференциального импульсного калориметра [7] для разных обрабатываемых материалов и способов обработки на режимах, рекомендуемых справочной литературой. Результаты исследований приведены в табл. 1, из анализа которой следует, что рассчитанные по формуле (10) значения энергоѐмкости материала поверхностного слоя деталей, обработанных различными способами, не значительно отличаются от их экспериментальных значений. Таблица 1. Результаты определения Э∑ расчѐтным и экспериментальным путями ОбрабаСпособ Тол- Энергоѐмкость поверхПогрештываеобработки щина ностного слоя Э∑, Дж ность опреэксперирасчѐтная мый слоя деления ментальная материал ∆Н, мм ∆Э∑, % сталь шлифование 0,31 23,638 25 +5,7 12ХН3А обкатка роликом 0,65 30,521 33 +8,1 алмазное выглаживание 0,12 9,237 8 -13,2 сталь шлифование 0,38 28,426 30 +5,6 ШХ15 обкатка роликом 0,52 43,084 45 +4,6 алмазное выглаживание 0,10 10,352 9 -6,0 сплав шлифование 0,42 31,648 35 +10,7 45Х25Н2 обкатка роликом 0,83 56,745 60 +5,9 0С2А алмазное выглаживание 0,14 11,892 11 -8,6

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Если выражение (10) разделить на работу А(t), вычисляемую по формуле (4) , то получится формула для определения интенсивности накопления энергии деформации в материале поверхностного слоя обрабатываемой детали: H

IЭ

Э A(t )

H S0

m(h)dh) K н 0

(1 К тмд ) ( Е

Э0 )

(11)

Очевидно, что технологическая совместимость модифицированных и многокомпонентных функциональных слоѐв с основным материалом поверхностного слоя деталей зависит от энергетического состояния материала поверхностного слоя детали и во многом определяется тем, как эти слои трансформируют поверхностную энергию основного материала детали. Поэтому формула (11) может быть использована для установления целесообразности применения того или иного материала для модифицирования поверхностного слоя детали или нанесения на него многокомпонентного функционального слоя. 2. Заключение Таким образом, выполненные исследования позволили разработать математическую модель формирования энергетического состояния материала поверхностного слоя детали, находящегося в деформированном состоянии, и количественно оценить влияние дислокационной структуры материала и температуры на величину удельной накопленной энергии деформации, определяющей эксплуатационные свойства поверхностного слоя и технологическую совместимость модифицированных и многокомпонентных функциональных слоѐв, наносимых на деталь. ЛИТЕРАТУРА 1. Мусохранов, М. В. Энергетическое состояние поверхностного слоя деталей машин / М. В. Мусохранов, Е. В. Логутенкова, С. П. Сорокин // Современные наукоѐмкие технологии. – 2016. – № 5-2. – С. 276 – 279. 2. Кабалдин, Ю. Г. Квантово-механическое моделирование энергии адгезии наноструктурных покрытий с режущим инструментом и с обрабатываемым материалом / Ю. Г. Кабалдин, Е. Е. Власов, А. М. Кузьмишина // Упрочняющие технологии и покрытия. – Том 14. – 2018. – № 8 (164). – С. 339 – 343. 3. Прокофьев, М. А. Энергетический критерий оптимизации режимов обработки деталей шлифованием / М. А. Прокофьев // Машиностроение – основа технологического развития России. ТМ-2013: Сб. науч. ст. V Междунар. науч.-техн. конф. – Курск: Издательство Юго-Зап. гос. ун-та, 2013. – С. 334 – 336. 4. Бутенко, В. И. Научные основы функциональной инженерии поверхностного слоя деталей машин / В. И. Бутенко. – Ростов на-Дону: ДГТУ, 2017. – 481 с. 5. Лебедев, В. А. Технология динамических методов поверхностного пластического деформирования / В. А. Лебедев. – Ростов-на-Дону, 2006. – 183 с. 6. Бутенко, В. И. Структура и свойства материалов в экстремальных условиях эксплуатации / В. И. Бутенко. – Таганрог: Издательство ТТИ ЮФУ, 2007. – 264 с. 7. Тимофеев, М. В. Методика и аппаратура измерения накопленной энергии деформации в поверхностном слое деталей машин / М. В. Тимофеев, М. А. Прокофьев // Наукоѐмкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении (ТМ-2012): Материалы 4-ой Междунар. науч.-техн. конф. – Рыбинск: Изд-во РГАТУ, 2012. – С. 25 – 29. Поступила в редколлегию 04.01.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

УДК 678.027.7:677 В. А. Витренко, докт. техн. наук, проф., Г. В. Сыровой, канд. техн. наук, доц., Е. В. Синдеева, ст. преподаватель Луганский национальный университет имени Владимира Даля Тел.: +38(095)0703018; Е-mail: siig@i.ua ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В СТРУКТУРЕ КОМПОЗИТНОГО СЛОЯ ДНИЩА МАЛОГАБАРИТНОГО КОРПУСА Проведен анализ влияния зонной структуры намотки на деформационные свойства малогабаритных корпусов. Исследовано влияние изменения шага намотки армирующего материала в кольцевом слое малогабаритного корпуса, а также изменение массового совершенства малогабаритных корпусов и эквивалентных деформаций от степени комбинирования намотки кольцевого слоя. Исследования позволили получить равномерное распределение значений деформации в переходной части между днищем и центральной частью малогабаритного корпуса. Ключевые слова: зонная структура, намотка, массовое совершенство, параметр массовой эффективности, малогабаритный корпус. V. A. Vitrenko, G. V. Sirovoj, E. V. Sindeyeva STRESS ANALYSIS IN THE STRUCTURE OF THE COMPOSITE LAYER BOTTOMS SMALL CASE The analysis of the influence of the zone structure of the winding on the deformation properties of small bodies. The influence of the change in the step of winding the reinforcing material in the annular layer of a small body, as well as the change in the mass perfection of small bodies and equivalent deformations from the degree of combination of the winding of the annular layer. Studies have allowed to obtain a uniform distribution of deformation values in the transition between the bottom and the Central part of the small body. Keywords: band structure, coiling, mass excellence, the parameter of mass efficiency, compact body.

1. Введение Основным комплексным критерием качества для малогабаритных корпусов остаѐтся параметр массовой эффективности [1], который равен отношению энергоемкости корпуса к его массе W=PV/M,

(1)

где Р – разрушающее внутреннее давление в корпусе; V – внутренний полезный объѐм; M – масса силовой части корпуса. Данный критерий отражает совершенство силовой схемы малогабаритного корпуса и степень реализации исходной прочности используемого композитного материала, которые в значительной степени зависят от проектных решений, заложенных в технологическую схему производства малогабаритных корпусов [2]. Добиться оптимального результата при изготовлении малогабаритных композитных корпусов позволяет используемое технологическое оборудование и приспособления. Другими словами, процесс формообразования изделия должен быть совмещен с процессом формирования заданной структуры материала, обеспечивающейтребуемые свойства конструкции. Эта конструкторско-технологическая и материаловедческая задача может быть решеналишь по пути автоматизированного проектирования композитных конструкций

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

и методов их изготовления намоткой, выкладкой, прессованием, пултрузией и др. на производственном оборудовании, имеющем числовое программное управление [3]. 2. Основное содержание и результаты работы Целью данной работы является исследование напряжений, возникающих при намотке днища зонной структурой из композитного материала и, их влияние на массовое совершенство малогабаритного корпуса. Остановимся на определении углов армирования φai и толщин слоев hai, входящих в уравнение

(2) По конструктивным соображениям, как правило, задается радиус полюсного отверстия, который для рассматриваемого баллона составил r01=13,5мм. Угол армирования φai находится по формуле (3) и оказывается равным 11o. Этот угол соответствует внутренней кромке, наматываемой лены, которая касается контура полюсного отверстия. При ширине ленты w =10 мм еѐ наружная кромка имеет радиус 23,5 мм, что соответствует углу армирования 20 о. Замеренный угол армирования на экваторе днища экспериментального малогабаритного корпуса оказался равным 9,6°, соответственно φa1 =9,6°. Аналогичным образом получен угол армирования второго слоя, т.е. φa2= 22°. При этом, согласно равенству (3), r02=26 мм. Наибольший вклад в восприятие осевой силы обеспечивает первый слой с углом армирования 9,6° и его толщина должна быть максимально возможной. Как уже отмечалось, толщина этого слоя на экваторе днища определяется ограничением на толщину слоя в окрестности полюсногоотверстия, где она значительно возрастает (рис. 1). Для оценки толщины слоя при проектировании малогабаритного корпуса использовалось равенство: (4) которое справедливо при радиусах больших r w = r01 + w, где w – ширина ленты (при r = r01 формула (4) дает бесконечно большое значение для толщины слоя).

Рисунок 1. Радиальное разбиение днища корпуса на зоны При r ≤ rw толщина днища считалась постоянной и равной толщине при r = r w. Такой характер изменения толщины первого слоя приближенно соответствует реаль-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

ному закону изменения толщины слоя, показанному на рис. 1 Проведенный анализ показал, что допустимая максимальная толщина (порядка 10 мм, соизмеримая с толщиной цилиндрической части баллона) реализуется при намотке 6 двойных спиральных слоев, что при найденной толщине элементарного слоя соответствует толщине первого слоя на экваторе днища hа1=3,6 мм. Для оценки толщины второго слоя с углом армирования 22° можно воспользоваться уравнением (4). Поскольку вклад лейнера и первого слоя известен, можно оценить потребную величину толщины второго слоя. Она составляет hа2=1,8мм, что соответствует трем двойным спиральным слоям. Структура намотки композитной оболочки малогабаритного корпуса приведена в табл. 1. Как показано в работе [4], в равнонапряженном днище малогабаритного корпуса условие прочности в осевом направлении автоматически обеспечивает прочность днища в кольцевом направлении. Однако цилиндрическая часть малогабаритного корпуса должна быть усилена кольцевыми слоями, суммарная толщина которых определяется из условия прочности цилиндрической части в кольцевом направлении, т.е.

(5) Подставляя найденные выше параметры и определяя толщину кольцевого слоя, найдем hк =8,06 мм. При толщине элементарного слоя 0,3 мм число кольцевых слоев составляет 27, что соответствует суммарной толщине кольцевых слоев hк=8,1 мм. Таким образом, условие прочности цилиндрической части малогабаритного корпуса в кольцевом направлении обеспечено. Контур днища рассматриваемого малогабаритного корпуса строится в результате численного интегрирования уравнений в пределах толщины оболочки и исследовано в работе [5], где установлено, что рациональным является совмещение теоретического контура с меридианом срединной поверхности днища. Поскольку в оболочке, сечение которой показано на рис. 1, меридиана срединной поверхности имеет достаточно сложную форму, при проектировании малогабаритного корпуса предполагалось, что теоретический контур совпадает при r<b с пунктирной линией, показанной на рис. 2, а при r>b – с меридианой наружной поверхности первого слоя. Таблица 1. Структура намотки композитной оболочки малогабаритного корпуса Количествод- Угол армирования Толщина на экНомер войных спиральна экваторе, ваторе, слоя, і ных слоев Hai, , мм 1 2

4 2

16 22

3,6 1,8

Структура цилиндрической части ХІІ, ХІІ ХІІ

3. Общий алгоритм и рекомендации Используя проектные параметры днища корпуса: три толщины hai и два угла армирования φai при r = а и подставляя известные величины σT, hM, и а, в формулу 5, и

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

используя для моделирования программный комплекс ANSYS проведем исследование намотки двух малогабаритных корпусов. В результате исследования необходимо определить минимальную величину параметра массовой эффективности при двузонной намотке днища. Для моделирования малогабаритных корпусов задаемся следующими допущениями: – намотка корпусов выполняется стеклонитью ЕС-7х34-80(3); – внутренне давление 20,4 МПа. – моделируем малогабаритный корпус с днищем, выполненным однозонной и двузонной намоткой. Корпус с однозонной намоткой днища выполняем по расчѐтной схеме на рис. 3. В нашем случае мы будем членить оболочку на зоны, границы которых определяются заданными углами армирования: 90о (на полюсном отверстии), 70о,50о,30о,20о,15о (на цилиндрической части) градусов. При этом угол армирования в пределах каждой зоны примем равным среднему арифметическому углов на границах. Зная закон изменения ориентации арматуры, можно определить толщину пакета (рис. 2) для произвольной точки образующей – она будет зависеть от радиуса и угла армирования, подчиняясь уравнению

(6)

где h – толщина оболочки; φа – угол армирования на экваторе при r=r а.

Рисунок 2. Толщина пакета КМ в зависимости от радиуса днища малогабаритного корпуса Данная зависимость неприменима вблизи полюсного отверстия, поскольку рассчитанная с ее помощью толщина стремится к бесконечности. Абстрагируясь от подробностей, требующих специального анализа, получаем профиль сечения вблизи отверстия простой интерполяцией из «достоверной» зоны.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Рисунок 3. Расчѐтная геометрическая схема намотки малогабаритного корпуса с однозонной намоткой днища

Рисунок 4. Характер распределения эквивалентных напряжений для малогабаритного корпуса с однозонной намоткой днища Исходя из расчетов (рис.4) напряжения в зоне перехода от цилиндрической части к днищу составили 115,0 МПа. Само поле распределения эквивалентных напряжений в районе днища показано на рис. 5, где явно присутствуют три зоны напряжений. Зона I – возникающие напряжения на пере закладного фланца, зона II – напряжения, возникающие в толщине спирального слоя и зона III – напряжения, возникающие в переходной части между кольцевыми и спиральными слоями (наиболее опасные).

Рисунок 5. Поле распределения эквивалентных напряжений в районе днища

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

При расчете получено распределение числовых значений деформаций d(R) композитного материала по днищу и центральной части малогабаритного корпуса диаметром 135 мм при однозонной намотке (рис. 6).

Рисунок 6. Распределение значений деформаций d(R) по днищу и центральной части малогабаритного корпуса В результате расчетов видно (рис.6), что скачек напряжений приходится на зону III перехода с кольцевого композитного слоя на спиральный. Для сравнения проведем расчетмалогабаритногокорпуса, намотанного композитным материалом в районе днища двумя зонами. При такой расчѐтной схеме намотки малогабаритного корпуса, получен следующий характер распределения эквивалентных напряжений, который показан на рис. 7. При этом напряжения в зоне перехода от цилиндрической части к днищу составили 140,0 Мпа, а распределение значений деформаций d(R) по днищу и центральной части малогабаритного корпуса диаметром 135 мм при двузонной намотке композитным материалом, показано на рис. 8.

Рисунок 7. Характер распределения эквивалентных напряжений для малогабаритного корпуса с двузонной намоткой днища Сравнивая графики деформаций d(R) (рис.6 и 8) можно отметить, что при намоткекомпозитным материаломдвумя зонами днища малогабаритного корпуса, ради-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

альные напряжения в переходной части снижаются, что в свою очередь приводит к снижению деформаций в этой части днища малогабаритного корпуса от кольцевых к спиральным слоям. По результатам исследования определены массы намотанных малогабаритных корпусов для диаметра оболочки 101 мм и 135 мм (табл. 2, 3).

Рисунок 9. Распределение значений деформации d(R) по днищу и центральной части малогабаритного корпуса Таблица 2. Масса композитного слоя при изменяемых зонах намотки днища для диаметра лейнера 101 мм Диаметр 101 мм Количество Лейнер Слой [0] Слой [90] Масса зон 1 273,4 3 Объем, см 2 50,6 248,4 58,7 3 239,1 1 546,9 1062,1 Масса, г 2 397,8 496,8 117,4 1012,0 3 478,3 993,6 Таблица 3. Масса композитного слоя при изменяемых зонах намотки днища для диаметра лейнера 135 мм Диаметр 135 Количество Лейнер Слой [0] Слой [90] масса мм зон 1 1308,8 Объем, см3 2 278,2 1092,9 149,3 3 1020,5 1 2617,6 5100,2 Масса, г 2 2183,8 2185,8 298,7 4668,4 3 2041,0 4523,6

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

По значениям, приведенным в табл. 2, 3 видно, что с переходом на двузонную намотку днища малогабаритного корпуса масса используемого при намотке композитного материала снижается. Особенность применения многозонной намотки явно выражено при проектировании и изготовлении малогабаритных баллонов высокого давления, где в качестве лейнера используется оболочка, изготовленная из пластика, при намотке которого снижение веса наматываемых композиционных материалов играет большую роль. 4. Заключение 1. Исследовано влияние зонной структуры намотки композитным материалом на деформационные свойства малогабаритных корпусов. 2. При исследовании напряжений от степени комбинирования намотки зонами показало, что параметры напряжений достигают максимальных значений в зоне перехода от днища к цилиндрической части малогабаритного корпуса и эти параметры можно регулировать намоткой. 3. Намотка малогабаритных корпусов двумя зонами позволило получить равномерное распределение значений деформации в переходной части между днищем и центральной частью малогабаритного корпуса, при этом критерий массового совершенства малогабаритного корпуса увеличился в 1,5 раза. ЛИТЕРАТУРА 1. Рач, В. А. Влияние характеристик лентоформующих трактов намоточных станков на конструкционную прочность волокон в малогабаритных оболочках /В. А. Рач // Механика композиционных материалов. – 1991. – №1. – С. 143-148. 2. Фрегер, Г. Е. Основы механики и технологии композиционных материалов: Учебное пособие / Г. Е. Фрегер, М. Д. Аптекарь, Б. Б. Игнатьев, В. В. Чесноков, А. Х. Меликбекян, В. А. Коструб. – К.: Аристей, 2004. – 524 с. 3. Маринин, В. И. Моделирование структуры изделия намотки // «Композиционные материалы в промышленности» материалы двадцать шестой международной конференции и выставки 29 мая, 2 июня 2006 г., г. Ялта, Крым. 4. Игуменов, М. С. Разработка технологии изготовления гибридного сосуда высокого давления методом ротационного формования и линейного полиэтилена с применением армирования: дис. ... канд. техн. наук / М. С. Игуменов; СанктПетербургский государственный технологический институт. – Санкт-Петербург: 2015. – 145 с. 5. Васильев, В. В. Оптимальное проектирование слоистых композитов. // Механика композиционных материалов и конструкций. – 2009. – Т.15. – №1. – С. 3-16. Поступила в редколлегию 11.01.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

УДК 621.833 Р. М. Грубка, канд. техн. наук, доцент Донецкий национальный технический университет, ДНР Тел./Факс: +38 (071) 3114221; E-mail: grubka_roman@mail.ru КОНСТРУКТИВНЫЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ В статье представлены исследования конструктивных способов повышения эксплуатационных показателей цилиндрических зубчатых передач, на основании которых разработана классификация видов модификации элементов зубчатого венца. Классификация основана на конструктивных мероприятиях, способствующих обеспечению заданных условий контактирования зубьев. В соответствии с предложенной классификацией конструктивные способы делятся на модификацию боковой поверхности зубьев и модификацию других поверхностей зубчатого венца. Ключевые слова: цилиндрическое зубчатая передача, зубчатый венец, боковая поверхность зубьев, классификация, модификация зубьев R. M. Grubka CONSTRUCTIVE WAYS TO IMPROVE THE PERFORMANCE OF CYLINDRICAL GEARS The article presents studies of constructive ways to improve the operational performance of cylindrical gears, on the basis of which a classification has been developed for the types of the ring gear modification elements. The classification is based on constructive measures that contribute to ensuring the specified contact conditions of the teeth. In accordance with the proposed classification, constructive methods are divided into the modification of the teeth lateral surface and the modification of other ring gear surfaces. Keywords: spur gear, ring gear, side surface of teeth, classification, modification of teeth

1. Введение Надежность, долговечность и нагрузочную способность зубчатых передач повышают применением современных конструкционных материалов и упрочнением рабочих поверхностей зубьев, обеспечением высокой точности изготовления и сборки элементов зубчатых передач и совершенствованием зубчатого зацепления, за счет изменения геометрии боковой поверхности зубьев [1]. Наиболее перспективным из трѐх перечисленных направлений является совершенствование зубчатого зацепления, позволяющее с минимальными затратами из тех же материалов и при той же точности изготовить элементы зубчатых передач способные передавать большие нагрузки. Наряду с получением высоких точностных характеристик деталей зубчатых передач большое значение имеет также достижение требуемых эксплуатационных параметров [2]. В результате неточного изготовления и сборки зубчатых колес, корпуса и его деталей, упругой деформации опор, прогиба зубьев под нагрузкой и деформации зубчатых колес при термообработке происходит накапливание погрешностей [3, 4, 5], которые ухудшают характеристики зацепления и вызывают неправильное расположение пятна контакта на зубьях сопряженной пары. Наличие погрешностей изготовления и монтажа зубчатых венцов, а так же ряд эксплуатационных факторов, таких как деформации элементов зубчатых передач, накладывают ограничения на применение данных передач. Зубчатые передачи, взаимодействующие при наличии погрешностей и деформаций, имеют повышенный уровень шума. А неправильное расположение пятна контакта на зубьях силовых передач способствует концентрации нагрузки на кромках зубьев и приводит к преждевременной их поломке или повышенному износу. Сложившиеся в настоящее время подходы к проектированию зубчатых передач обладают своими достоинствами и недостатками [6, 7]. Наиболее перспективным с

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

точки зрения обеспечения заданных функциональных свойств зубчатых колес и передач, которые эксплуатируются в условиях наличия погрешностей изготовления и монтажа зубчатых венцов, а также перемещений элементов зубчатых передач, вызванных деформациями под действием рабочей нагрузки, является конструкторскотехнологический подход. Данный подход благодаря гибкому выбору вида исходного производящего контура позволяет расширить технологические возможности существующих или проектируемых производств. Основываясь на конструкторско-технологическом подходе, разработан комплексный функционально-ориентированный подход повышения надежности, долговечности и нагрузочной способности цилиндрических зубчатых передач [7]. Данный подход позволяет осуществлять как сквозное, так и итерационное проектирование цилиндрических зубчатых колес с пространственной геометрией боковой поверхности зубьев, способных компенсировать все погрешности изготовления и монтажа элементов зубчатых передач, а также перемещения, вызванные деформациями элементов передач, возникающими в процессе эксплуатации под действием рабочей нагрузки. При этом профилирование боковой поверхности зубьев осуществляется кинематическим методом [8, 9], с учетом представленного в работе [10] расширения кинематического метода применительно к синтезу и исследованию пространственных зубчатых соединений на базе цилиндрических зубчатых колес. Снижения влияния погрешностей и деформаций на эксплуатационные параметры цилиндрических передач достигается изменением, модификацией, боковой поверхности зубьев. Т.е. за счет введения профильной, продольной, пространственной модификаций или модификации физико-механических свойств боковой поверхности зубьев [11, 12, 13, 14, 15]. Поэтому исследование существующих конструктивных способов повышения несущей и компенсирующей способности цилиндрических зубчатых передач, а так же разработка новых подходов по совершенствованию конструкции передач за счет создания соединений зубьев с учетом всех составляющих погрешностей и деформаций, которые возникают в процессе изготовления и эксплуатации их элементов, является актуальной научной задачей. Цель работы: исследование конструктивных способов повышения эксплуатационных показателей цилиндрических зубчатых передач, путем модификации элементов зубчатого венца. 2. Основное содержание и результаты работы Модификации подлежит как боковая поверхности зубьев, так и другие поверхности зубчатого венца – торцы зубьев, поверхности вершин и впадин зубьев. Разработаем классификацию видов модификаций элементов зубчатого венца цилиндрических колес рис. 1. Модификации подвергается часть боковой поверхности зуба или вся боковая поверхность. Модифицированной может быть одна или обе поверхности зубьев рис. 2. При модификации двух боковых поверхностей зубьев, они могут иметь как одинаковую модификацию по форме, расположению и размеру, так и разную модификацию [16, 17, 18]. В зависимости от места расположения модифицированного участка на боковой поверхности зуба различают модификацию головки, ножки и активной боковой поверхности зуба [16, 17, 18], или сочетания двух модифицированных участков. Модификация боковой поверхности зуба может быть выполнена у одного из торцов, у двух торцов, в средней части боковой поверхности рис. 2., рис. 3. и рис. 4. Модифицированные участки боковой поверхности зубьев могут иметь произвольную форму, располагаться автономно, касаться или пересекаться рис. 5.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Возможны комбинации различных видов расположения, формы и размеров модифицированных участков. Например на рис. 4 показана одновременная модификация боковой поверхности зуба у головки и у ножки.

Классификация видов модификаций элементов зубчатого венца цилиндрических колес

Модификация двух боковых поверхностей зуба

Модификация одной из боковой поверхности зуба

Одинаковая

По расположению

Два участка

Более двух участков

Расположенные в один ряд

Расположенные в несколько рядов

Без выхода на торец

Симметрично относительно плоскости симметрии зубчатого венца

Модификация головки и ножки зуба

Модификация активной части боковой поверхности и ножки зуба

Модификация активной части боковой поверхности и головки зуба

Модификация ножки зуба

Модификация активной части боковой поверхности зуба

Модификация части боковой поверхности

Модификация головки зуба

Модификация всей боковой поверхности

С выходом на торец

Различная

По размерам

По форме

Один участок

Кромки зуба между боковой поверхностью и поверхностью торца

Кромки зуба между боковой поверхностью и поверхностью вершин

Поверхности вершин зубьев

Модификация физико-механических свойств поверхности

Пространственная модификация

Профильная и продольная модификации

Продольная модификация

Профильная модификация

Поверхности впадин зубьев

Модификация нерабочих поверхностей зубчатого венца

Модификация рабочих поверхностей зубьев

Расположенные в шахматном порядке

Не симметрично относительно плоскости симметрии зубчатого венца

Рисунок 1. Классификация видов модификаций элементов зубчатого венца цилиндрических колес торцовые поверхности и кромки элементов зубчатого венца рис. 8.

Модифицированных участков боковой поверхности зуба может быть один, два и более двух. При этом модифицированная поверхность может выходить на торец зубчатого венца или не выходить рис. 6. Модифицированные участки на боковой поверхности зубьев могут быть расположены на зубьях симметрично относительно плоскости симметрии зубчатого венца рис. 2. б, не симметрично рис. 2. а, в шахматном порядке (рис. 7) [16, 17, 18]. Модификации так же подвергаются поверхности вершин и впадин зубьев, а также

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

а) б) в) г) Рисунок 2. Модификация: а – всей боковой поверхности; б – части боковой поверхности вблизи торцов; в - в средней части боковой поверхности; г – на обеих боковых поверхностях

а) б) в) г) д) е) Рисунок 3. Модификация ножки зуба: а – треугольной формы; б – прямоугольной формы; в – два участка треугольной формы без выхода на торец; г – два участка треугольной формы с выходом на торец; д – два участка прямоугольной формы с выходом на торец; е – более двух участков

а) б) в) г) Рисунок 4. Одновременная модификация головки и ножки зуба: а - один модифицированный участок у ножки и головки; б - два модифицированных участка у ножки и головки с выходом на торец; в - два модифицированных участка у ножки и головки без выхода на торец; г - три модифицированных участка у ножки и головки

а) б) в) г) Рисунок 5. Модификация головки зуба: а – треугольной формы с пересечением участков; б – треугольной формы без пересечения участков; в – прямоугольной и треугольной формы; г – с участками в виде трапеции;

а) б) в) г) Рисунок 6. По количеству модифицированных участков на боковой поверхности зуба: а – один участок; б – два участка; в – более двух участков без выхода на торец; г – более двух участков с выходом на торец

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Образующая поверхности вершин может быть описана прямой линией, окружностью и любой другой кривой второго порядка. Модифицированные участки могут быть расположены в один ряд рис. 6 г и рис. 3 е или в несколько рядов рис. 9.

Рисунок 7. Расположение мо- Рисунок 8. Модифи- Рисунок 9. Расположение дифицированных участков в кация торца зубчато- модифицированных участков шахматном порядке го венца в несколько рядов Модификации также могут подвергаться торцовые поверхности с целью изменения жесткости элементов зубчатого венца. А также модификации может подвергаться как боковая поверхность зубьев, так и торец зубчатого венца. 3. Выводы Выполнены исследования конструктивных способов повышения эксплуатационных показателей цилиндрических зубчатых передач, на основании которых разработана классификация видов модификации элементов зубчатого венца. В классификацию вошли конструктивные мероприятия, способствующие обеспечению заданных условий контактирования зубьев. В соответствии с предложенной классификацией конструктивные способы делятся на модификацию боковой поверхности зубьев и модификацию других поверхностей зубчатого венца. Представленные подходы могут быть использованы при выборе и принятии конструктивных решений, способствующих повышению нагрузочной и компенсирующей способности цилиндрических передач. ЛИТЕРАТУРА 1. Бабичев, Д. Т. Основы концепции синтеза рабочих поверхностей зубьев цилиндрических передач, обладающих заданной контактной прочностью [Текст] / Д.Т. Бабичев, М. Г. Сторчак, Д. А. Бабичев // Современное машиностроение. Наука и образование, 2012. – № 2. – С. 150 - 160. 2. Генкин, М. Д. Повышение надежности тяжело-нагруженных зубчатых передач [Текст] / М. Д. Генкин, М. А. Рыжов, Н. М. Рыжов. – М.: Машиностроение, 1981. – 232 c. 3. Грубка, Р. М. Суммарные перемещения элементов цилиндрических передач внешнего зацепления, вызванные наличием погрешностей изготовления, монтажа и деформациями в процессе эксплуатации [Текст] / Р. М. Грубка, И. А. Петряева, А. Н. Михайлов // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонНТУ, 2018. – Вып. 1 (60). – С. 19 - 24. 4. Грубка, Р. М. Определение суммарных погрешностей, возникающих в процессе эксплуатации зубчатых муфт [Текст] / Р. М. Грубка, А. Н. Михайлов, И. А. Петряева // Комплексные проблемы техносферной безопасности: материалы Междунар. науч.практ. конф. - Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», г. Воронеж, 26-28 октября 2017 г. – Ч. V. – С. 181- 185. 5. Грубка, Р. М. Обобщенные зависимости для пространственного соединения цилиндрических зубчатых колес, учитывающие наличие погрешностей и деформаций элементов передач [Текст] / Р. М. Грубка // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. — Донецк: ДонНТУ, 2018. – Вып. 3(62). – С. 10 - 18.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

6. Петровский, А. Н. К задаче оптимизации параметров эвольвентного зацепления [Текст] / А. Н. Петровский // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. – Нижний Новгород, 2011. – №2(87). – С.75 - 87. 7. Грубка, Р. М. Повышение надежности, долговечности и нагрузочной способности цилиндрических зубчатых передач на базе комплексного функциональноориентированного конструкторско-технологического подхода [Текст] / Р. М. Грубка // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонНТУ, 2018. – Вып. 2 (61). – С. 15 - 22. 8. Радзевич, С. П. Кратко о кинематическом методе и об истории уравнения контакта в форме nV=0 [Текст] / С. П. Радзевич // Теория Механизмов и Машин. –2010. – №1. Том 8. – С. 42-51. 9. Литвиняк, Я. М. Доповнення до кінематичного способу синтезу профілю зубців площинного зубчастого зачеплення [Текст] / Я. М. Литвиняк // Вісник Національного університету "Львівська політехніка". Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні та приладобудуванні. – 2014. – № 786. – С. 93-98. 10. Грубка, Р. М. Развитие кинематического метода синтеза профиля зубьев применительно к пространственному зубчатому соединению цилиндрических зубчатых колес [Текст] / Р. М. Грубка // Сборник научных трудов Донбасского государственного технического университета. - Алчевск: Донбас. гос. техн. ун-т, 2018. – Вып. 54. – С. 127 – 132. 11. Рязанцева, И. Л. О профильной модификации тяжелонагруженных зубчатых колес [Текст] / И. Л. Рязанцева // Омский научный вестник, 2000. – №2(100). – С. 73 – 76. 12. Сухоруков, Ю. Н. Модификация эвольвентных зубчатых колѐс: Справочник [Текст] / Ю. Н. Сухоруков. – К.: Техника, 1992. – 197 с. 13. Лагутин, С. А. Сочетание продольной и профильной модификации зубьев в цилиндрических передачах [Текст] / С. А. Лагутин // Конверсия в машиностроении. – 2001. – № 2. – С. 68 – 72. 14. Михайлов, А. Н. Основы синтеза геометрии внутренних пространственных зацеплений с равным числом внутренних и наружных зубьев [Текст] / А. Н. Михайлов, С. А. Рыбина, Д. В. Перов, Т. Оливер // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонГТУ, 2000. – Вып. 10. – С. 149-161. 15. Грубка, Р. М. Синтез пространственных геометрий зубьев цилиндрических колес, работающих при наличии погрешностей и деформаций элементов передач [Текст] / Р. М. Грубка, И. А. Петряева, А. Н. Михайлов, А. А. Бочаров // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонНТУ, 2018. – Вып. 4 (63). – С. 17 - 27. 16. US 8,201,471 B2 United States Patent, МПК7 F16H 55/00. Gears and gearing apparatus / Kenji Ohmi, KaWaguchi (JP); Yasutaka KaWakami, KaWaguchi (JP); Assignee Enplas Corporation, KaWaguchi-shi (JP). – № 12/567,672; Filed Sep. 25, 2009; Pub. Date Jun. 19, 2012. – 30 с.: ил. 17. US 2007/0137355 A1 United States Patent, МПК7 F16H 55/00, F16H 55/17. Gears and gearing apparatus / Kenji Ohmi, KaWaguchi (JP); Yasutaka Kawakami, KaWaguchi (JP); Assignee Enplas Corporation, KaWaguchi-shi (JP) – № 11/528,651; Filed Sep. 28, 2006; Pub. Date Jun. 21, 2007. – 32 с.: ил. 18. US 2010/0011895 A1 United States Patent, МПК7 F16H 55/08. Gears and gearing apparatus / Kenji Ohmi, KaWaguchi (JP); Yasutaka Kawakami, KaWaguchi (JP); Assignee Enplas Corporation, KaWaguchi-shi (JP) – № 12/567’672; Filed Sep. 25, 2009; Pub. Date Jan. 21, 2010. - 31 с.: ил. Поступила в редколлегию 19.02.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

УДК 621.9: 658.5 Т. Г. Ивченко, канд. техн. наук, доцент Донецкий национальный технический университет Тел./Факс: +38 (062) 3050104; E-mail: tm@mech.dgtu.donetsk.ua ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГАРАНТИРОВАННОГО УРОВНЯ БЕЗОТКАЗНОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ Представлены результаты оптимизации по критериям производительности и себестоимости режимов резания, обеспечивающих заданный уровень безотказности режущего инструмента. Расчеты выполнены с учетом закона Вейбулла распределния стойкости режущего инструмента как случайной величины. Основными показателями безотказности являются средний период стойкости и период стойкости с заданной вероятностью (гамма-процентный период стойкости). Установлены необходимые для обеспечения заданного уровня безотказности коэфициенты изменения режимов резания. Ключевые слова: режущий инструмент, стойкость, коэффициент вариации, производительность, себестоимость. T.G. Ivchenko PROVIDING OF THE ASSURED LEVEL OF RELIABILITY OF THE CUTTING TOOL DURING OPTIMIZATION OF THE CUTTING REGIMES There are presented the results of optimization on the productivity and prime price criteria of the cutting regimes, providing the set level of cutting tool reliability. Calculations are executed taking into account the Veybulla distributing law of the cutting tool life as casual value. The basic reliability measures are mean period of the cutting tool life and period of the cutting tool life with the set probability (gamma-percent period of of the cutting tool life). There are set the necessary for providing of the set level of reliability the coefficient of the cutting regimes change. Keywords: cutting tool, cutting tool life, coefficient of variation, productivity, prime price.

1. Введение Повышение производительности и снижение себестоимости изготовления продукции являются актуальной задачей машиностроительного производства. Наиболее эффективно она решается на основе оптимизации режимов резания по критериям максимальной производительности и минимальной себестоимости в различных условиях обработки [1]. Основные методы решения задач оптимизации основаны на рассмотрении параметров процесса резания как детерминированных величин и замене случайных параметров их средними значениями [2]. Современные автоматизированные технологические системы предъявляют также и повышенные требования к надежности режущих инструментов, причем весьма важным является гарантированное обеспечение показателей надежности их функционирования, так как случайные отказы приводят к внеплановым простоям дорогостоящего оборудования и значительному увеличению затрат на его обслуживание [3]. В настоящее время обоснованы представления о стойкости режущих инструментов как случайной величины и предложены методы учета законов ее распределения при оптимизации режимов резания [4, 5]. Однако вопросы обеспечения гарантированного уровня безотказности режущего инструмента при оптимизации режимов резания практически не рассматрваются и требуют дальнейшего развития. Цель работы – совершенствование методики оптимизации режимов резания с учетом закона распределения стойкости инструмента как случайной величины по критериям производительности и себестоимости с обеспечением гарантированного уровня © Ивченко Т.Г.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

безотказности режущего инструмента. 2. Основное содержание и результаты работы При анализе стойкости режущего инструмента как случайной величины наиболее распространен закон Вейбулла [3], для которого интегральная P(t) и дифференциальная f(t) функции распределения: b b Pt   e t a  , f t   b a t a b 1 et a  ,

(1)

где a, b - параметры масштаба и формы закона распределения. Параметр масштаба a определяется средним периодом стойкости ТС в зависимости от параметра b: a  TC 1 1 b  ,

(2)

где 1  1 b - гамма-функция. Параметр b взаимосвязан с коэффициентом вариации стойкости VТ: VT 

1  2 b   1 1 b 1 1 b ; b(VT )  exp 1,092 ln VT  . 2

(3)

В настоящей работе в качестве показателей безотказности режущего инструмента рассматриваются средний период стойкости ТС и гамма-процентный период стойкости Т - время резания, в течение которого инструмент не достигает отказа с заданной вероятностью , выраженной в процентах [1]:

 





TC  a1 1 b  ; T  a ln  1001 b ;   100 exp  T TC  1  1 b b

Рисунок 1. Графики экспериментальной и теоретической функций распределения P(t) стойкости режущего инструмента

(5)

По результатам производственных экспериментальных исследований выполнен анализ закона распределения стойкости сборных резцов с механическим креплением квадратных пластин Т5К10 в сследующих условиях эксплуатации: обрабатываемый материал - сталь 45 (НВ163…207); скорость резания V = 95м/мин, подача S = 0,7мм/об, глубина резания tр = 1,8мм. Графики экспериментальной и теоретической функций распределения стойкости режущего инструмента представлены на рис.1. В результате экспериментов установлены средний период стойкости ТС = 35мин; коэффициент вариации стойкости VТ = 0,4. Проверка по критерию Фишера подтверждает адекватность закона Вейбулла распределения стойкости режущего инструмента в указанных условиях (параметры закона Вейбулла: b = 2,7; a = 39). В результате анализа установлено, что средний период стойкости для заданных условий

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

обработки может быть гарантирован с вероятностью Р(ТС) = 0,48 (рис. 1). Для обеспечения более высокого гарантированного уровня безотказности режущего инструмента – вероятности безотказной работы P(t) = 0,8 (гамма-процент  =80%) гамма - процентный период стойкость инструмента должен быть равен Т80 = 22мин. Для заданного уровня вероятности P(t) = 0,9 (гамма-процент  =90%) период стойкости Т90 = 17мин. График зависимости гамма - процентного периода стойкости T от гамма - процента , представленный на рис. 2, свидетельствует о том, что для повышения уровня безотказности режущего инструмента необхоРисунок 2. График зависимости димо существенно понижать его стойкость. гамма-процентного периода Коэффициент, характеризующий соотностойкости Т инструмента от шение гамма - процентного периода стойкости гамма-процента  режущего инструмента Т со средним периодом стойкости ТС, может быть рассчитан по формуле: K   T TC   ln 1001 b ( 1  1 b ) .

(6)

Общие закономерности изменения коэффициента К в зависимости от гаммапроцента  и параметра закона Вейбулла b представлены на рис. 1. Чем выше гарантированный гамма-процентный уровень вероятности безотказной работы инструмента, тем ниже гамма-процентный период стойкости Т, а, следовательно, и коэффициент К. Гаммапроцентный период стойкости Т и коэффициент К возрастают с увеличением параметра закона Вейбулла b. В представляемой работе рассматривается пример однопараметрической оптимизации скорости резания при заданных значениях глубины резания и подачи по критериям макРисунок 3. График двухпараметрисимальной производительности КР и минической зависимости коэффициента мальной себестоимости КС. В этом случае в К от гамма-процента  и параметра качестве параметра оптимизации сначала опзакона Вейбулла b ределяется стойкость инструмента, а затем по известным зависимостям рассчитывается скорость резания. Целевые функции, выражающие зависимость критериев КР и КС от параметра оптимизации Т выражаются следующим образом:



K P T   aT m  atcT m 1

1; KC ( T )  aT m  tc  A AT m1, 25

(7)

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

где a  DLt xv S yv 1 1000CV KV – постоянный коэффициент; D- диаметр обрабатываемой поверхности; L – длина обработки; V – скорость резания; S – подача; CV, KV – коэффициенты и xv, yv, m – показатели, которые характеризуют степень влияния глубины tг, подачи S и стойкости T на скорость резания V, определяемые в зависимости от условий эксплуатации; А - стоимость станко-минуты; А' - стоимость инструмента, приведенная к одному периоду стойкости. Оптимальные периоды стойкости с учетом случайного характера ее распределения по критериям производительности ТоР и себестоимости ТоС [5]: ToP VT    P VT 1 m  1t ñ ; Tî C VT   C VT 1 m  1tñ  A A ,

(8).

где μР(VТ), μС(VТ) - поправочные коэффициенты на оптимальные периоды стойкости по критериям производительности и себестоимости соответственно, учитывающие случайный характер распределения стойкости и коэффициент ее вариации VТ. Поправочные коэффициенты μР(VТ) и μС(VТ) могут быть определены с использованием графика, представленного на рис. 4 [5]. При значении коэффициента вариации V = 0 рассеивание отсутствует и μР(VТ) = μС(VТ) = 1. При коэффициенте вариации V0,3 степень его влияния на оптимальный период стойкости весьма незначительна, и ею можно пренебречь. Рисунок 4. Графики зависимости поСущественное влияние на оптимальправочного коэффициента на оптиный период стойкости коэффициент вариамальный период стойкости μ от коэфции имеет при VТ  0,4. В этом случае возфициента ее вариации VТ можная ошибка в оценке оптимального периода стойкости может достигать 80%, что свидетельствует о необходимости учета случайного характера критерия и параметра оптимизации. Для приближенной оценки оптимального периода стойкости при VТ  0,3 поправочные коэффициенты μР(VТ) и μС(VТ)могут быть апроксимированы следующими зависимостями (рис. 5):

Pa VT   e0,9VT 0,3 ; Ca VT   e0,8VT 0,3 .

Рисунок 5. Графики зависимости поправочного коэффициента μ на оптимальные по критериям производительности – а) и себестоимости – б) периоды стойкости от коэффициента ее вариации VТ

(9)

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Закономерности изменения поправочного коэффициента К , учитывающего соотношение гамма-процентного периода стойкости режущего инструмента Т со средним (оптимальным) периодом стойкости ТС, в зависимости от коэффициента вариации стойкости представлены на рис. 6а. Коэффициенты К представлены для различных значений гамма – процента:  = 90% (К90);  = 80% (К80);  = 48% (К48).

Рисунок 6. Графики зависимости поправочного коэффициента К от коэффициента вариации стойкости режущего инструмента VТ Для приближенной оценки при коэффициентха вариации стойкости режущего инструмент VТ  0,3 поправочные коэффициенты К(VТ) могут быть апроксимированы следующими зависимостями:

K90a VT   0,62e 2,5VT 0,3 ; K80a VT   0,62e1,7VT 0,3 ; K 48a VT   e0,5VT 0,3 . (10) Графики апроксимированных зависимостей μРа(VТ) и μСа(VТ), представленных на рис. 5 в логарифмической шкале, а также К90а(VТ), К80а(VТ) и К48а(VТ), представленных на рис. 6б в логарифмической шкале, достаточно хорошо (погрешность не превышает 5%) совпадают с их рассчетными значениями для коэффициента вариации VТ  0,3. Оптимальные скорости резания по производительности VоР и по себестоимости VоС с учетом коэффициента вариации стойкости инструмента VТ определяются по соответствующим оптимальным периодам стойкости ТоР и ТоС (8):

VoP VT  

KVP KV VT CV KV m VT S yv t pv ToP x

; VoC VT  

KVC KV VT CV KV m VT S y v t pxv ToC

(11)

где КVP(VТ), КVC(VТ) - поправочные коэффициенты на оптимальную по производительности и себестоимости скорость резания, учитывающие коэффициент вариации стойкости инструмента VТ, КV(VТ) – заданный уровень поправочный коэффициент на опти-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

мальную скорость резания, учитывающий заданный уровень гамма – процента :





KVP VT    P VT m ; KVC VT   C VT m ; KV VT   K  VT  m .

(12)

На рис. 7 представлены графики указанных поправочных коэффициентов на оптимальную скорость резания КVР, КVС и КV, в зависимости от коэффициента вариации стойкости инструмента VТ. Выводы. Усовершенствована методика оптимизации режимов резания с учетом закона распределения стойкости инструмента как случайной величины по критериям производительности и себестоимости с обеспечением гарантированного уровня безотказности режущего инструмента. Установлены необходимые для обеспечения заданного уровня безотказности коэфициенты изменения оптимальной скорости реРисунок 7. Графики зависимости зания для различных коэффициентов вариапоправочных коэффициентов КVР, ции стойкости инструмента. КVC и КV на оптимальную скорость Предлагаемый метод учета коэффициента резания от коэффициента вариации вариации при решении задачи оптимизации стойкости инструмента VТ повышает эффективность функционировния режущего инструмента в реальных условиях эксплуатации. ЛИТЕРАТУРА 1. Старков, В. К. Физика и оптимизация резания материалов / В. К. Старков. – М.: Машиностроение, 2009. – 640с. 2. Ивченко, Т. Г. Использование мультипликативных критериев при оптимизации режимов резания / Т. Г. Ивченко // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. – Краматорськ: ДДМА, 2012. – № 30. – С. 325-330. 3. Ивченко, Т. Г. Определение оптимального уровня показателей качества режущего инструмента с учетом случайного характера критерия и параметров оптимизации / Т. Г. Ивченко // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. – Донецк: ДонНТУ, 2004. – № 27. – С.97-104. 4. Ивченко, Т. Г. Прогнозирование параметров закона распределения стойкости режущего инструмента как случайной величины / Т. Г. Ивченко // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. – Донецк: ДонНТУ, 2016. – № 3(54). – С. 49-54. 5. Ивченко, Т. Г. Оптимизация режимов резания с учетом случайного характера стойкости режущего инструмента / Т. Г. Ивченко // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. – Донецк: ДонНТУ, 2017. – №4 (59). – С. 24-30. Поступила в редколлегию 18.01.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

УДК 621.837.7 С. О. Киреев, д-р техн. наук, проф., Х. К. Кадеров. канд. техн. наук, доц., В. П. Заикин, магистр Донской государственный технический университет, Россия Тел./Факс: +7 (961) 2717374; E-mail: vitalik_zaikin@mail.ru АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРА МАСС ШАТУНА ПРИВОДА ПЛУНЖЕРНОГО НАСОСА В статье выполнен кинематический анализ шатунно-крейцкопфного механизма, в частности центра масс шатуна плунжерного насоса высокого давления, с целью дальнейшего создания автоматизированной системы расчетов силового взаимодействия составных частей привода. Разработано автоматизированное построение диаграмм методом графического дифференцирования. Описаны принципы параметризации кинематической схемы и соответствующих ей диаграмм – перемещения, скоростей и ускорений. Ключевые слова: центр масс, кинематический анализ, автоматизированное построение, переменные параметры, шатунно – крейцкопфный механизм, графическое дифференцирование. S.O. Kireev, H.K .Kaderov, V.P. Zaikin AUTOMATED CONSTRUCTION OF DIAGRAMS OF THE KINEMATIC PARAMETERS OF THE GRINDING AND CRETSKOPHENIC MECHANISM The paper is the kinematic analysis of the connecting rod and crosshead mechanism, in particular the center of mass of the connecting rod piston high pressure pump, with the aim of further creation of the automated system of calculations of the force interaction of the component parts of the actuator. The automated construction of diagrams by the method of graphic differentiation is developed. The principles of parametrization of the kinematic scheme and its corresponding diagrams-displacement, velocities and accelerations are described. Keywords: center of mass, kinematic analysis, automated construction, variable parameters, crank - crosshead mechanism, graphical differentiation.

1. Введение Плунжерные насосы являются разновидностью объемных насосных установок, где жидкость перемещают вытеснители, выталкивая ее из статичных рабочих камер. Рабочая камера плунжерного насоса – это замкнутое пространство, которое поочередно сообщается с входом / выходом насоса. Плунжерные насосы сообщают перекачиваемой жидкости энергию, преобразовывая ее из механической энергии двигателя, т.е. данный тип насосов, придает перемещаемой жидкости энергию для того, чтобы она внутри трубопровода могла преодолевать такие явления как сопротивление, инерцию и статическую высоту. Надѐжность работы таких насосов в значительной мере определяется работоспособностью приводной части этих механизмов. Для обеспечения и эффективной и надежной работы приводов плунжерных насосов высокого давления, требуется точная оценка и расчет силовых взаимодействий частей привода плунжерного насоса [1]. Автоматизированная система расчетов силового взаимодействия частей привода плунжерного насоса позволит уменьшить трудоемкость и сократить сроки проектирования приводных частей новых насосов и совершенствования существующих. 2. Основное содержание и результаты работы Ранее, в статье «Автоматизированное построение диаграмм кинематических параметров шатунно-крейцкопфного механизма», был выполнен анализ шатунно© Киреев С.О., Кадеров Х.К., Заикин В.П.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

крейцкопфного механизма, в частности, крейцкопфа плунжерного насоса высокого давления. Были построены диаграммы скоростей и ускорений крейцкопфа (точки С). Построение было выполнено в программе «Компас 3D» v17, и полностью автоматизировано. Шатун, в отличие от крейцкопфа, совершает сложное плоско-параллельное движение в плоскости перпендикулярной оси кривошипа[2]. Именно поэтому было решено построить диаграммы перемещения центра масс шатуна (точки В) в проекциях на ось X и ось Y, и методом графического дифференцирования найти скорости и ускорения точки В в обеих проекциях. Все построения также произведены в программе «Компас 3D» v17. Центр масс шатуна, был рассчитан в соответствии с реальными размерами шатуна насоса НП-720. На рис. 1 показана 3D модель шатуна, на которой отображен центр масс.

Рисунок 1. Кинематическая схема шатунно-крейцкопфного механизма. На рис. 2 показана кинематическая схема шатунно-крейцкопфного механизма. На схеме показаны точки перемещения центра масс шатуна (точка B), в зависимости от угла поворота кривошипа ОА.

Рисунок 2. Кинематическая схема шатунно-крейцкопфного механизма. Далее точки перемещения центра масс шатуна (точки B), были спроецированы на оси абсцисс и ординат. Для автоматизированного построения, все размеры фиксированы. Кинематическая схема с проекциями на оси координат показана на рис. 3. После чего, были выведены формулы, для расчета расстояния центра масс шатуна (точки В) от оси вращения кривошипа (точки 0). Общие формулы для расчета записаны в Главный раздел окна переменных с учетом требований синтаксиса КОМПАС-3D: все переменные принято обозначать буквами английского алфавита.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Рисунок 3. Кинематическая схема шатунно-крейцкопфного механизма с проекциями перемещения точки В на оси координат. На рис. 4, показано окно переменных, в котором указаны параметры: радиус кривошипа – R, длина шатуна – L и угол поворота кривошипа – a. Также для каждого угла поворота кривошипа записаны формулы для расчета перемещения точки B в зависимости от длин кривошипа и шатуна.

Рисунок 4. Главный раздел окна переменных. Построение положений составных частей кинематической схемы автоматизировано методом размерной параметризации объектов. Все размеры фиксированы. При изменении, в окне переменных, любого из параметров (R, L, a) кинематическая схема, а также траектория перемещения точки В, автоматически перестраивается в зависимости от заданных параметров. Для того, чтобы параметризировать изменение траектории, а также изменение длинн проекций перемещения точки B на оси Х и Y – от оси вращения кривошипа

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

Рисунок 5. Размерный раздел окна переменных

Рисунок 6. Размерный раздел окна переменных

№ 1(64)’2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

были отложены размеры к каждой из точек, от начального положения, до максимального удаления точки В. После чего, на проекции перемещения расположенной на оси Х, были поставлены размеры от 0 до 6 положения точки В, а на проекции перемещения на ось Y – от 3 до 9. Все размеры фиксированы и указаны в Размерном разделе окна переменных и связаны с Главным разделом. Размерный раздел окна переменных показан на рисунках 5 и 6. Таким образом, методом геометрической параметризации, при наложении всех необходимых ограничений – перпендикулярности, параллельности и др. была получена автоматизированная кинематическая схема шатунно-крейцкопфного механизма с проекциями перемещения центра масс шатуна на оси X и Y. Далее, по точкам перемещения центра масс шатуна в направлении оси X (точки В), была построена диаграмма в координатной системе α и S. Диаграмма показана на рис. 7.

Рисунок 7. Диаграмма перемещения точки В по оси Х Диаграмма построена методом геометрической параметризации: указаны все необходимые ограничения – перпендикулярности, параллельности и др.[3]. Координаты перемещений S точки B на диаграмме напрямую зависят от перемещения точки B по оси Х на кинематической схеме (рис. 3). Все размеры указаны в Размерном разделе окна переменных и также связаны с Главным разделом (рис. 5).

Рисунок 8. Диаграмма перемещения точки В по оси Y

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

По точкам перемещения центра масс шатуна в направлении оси Y (точки В), аналогично диаграмме перемещения точки В в направлении оси X, была построена диаграмма в координатной системе α и S. Диаграмма показана на рис. 7. Для нахождения скорости точки В по направлению X, было проведено графическое дифференцирование диаграммы перемещения точки В в направлении оси X (рис. 8) методом хорд. В результате была построена диаграмма скоростей V точки В, в зависимости от угла поворота кривошипа α. Диаграмма показана на рис. 9. При графическом дифференцировании методом хорд последовательность действий точно такая же, что и при методе касательных, но вместо касательных к дифференцируемому графику в конкретных положениях проводят хорды на выделенных участках [4]. Метод тем точнее, чем ближе хорда к дифференцируемой кривой, поэтому делением кривой на более мелкие участки, можно добиться достаточной для практики точности. Поэтому метод хорд применяется значительно чаще, чем метод касательных[5].

Рисунок 9. Диаграмма скоростей точки В по оси Х Для автоматизации графического дифференцирования, на диаграмме перемещения точки В по оси Х, были указаны параллельности хорд от точки 1 до точки 12, к хордам, проведенным от полюса на диаграмме скоростей, соответствующе. Также на диаграмме скоростей наложены ограничения параметризации, как и на диаграмме перемещения.

Рисунок 10. Диаграмма скоростей точки В по оси Y

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

По точкам перемещения центра масс шатуна в направлении Y (точки В), аналогично диаграмме скоростей точки В в направлении оси Х , была построена диаграмма скоростей V точки В, в зависимости от угла поворота кривошипа α. Диаграмма показана на рис. 10. Аналогично дифференцируя диаграммы скоростей точки В в направлении осей X и Y, были получены диаграммы ускорений W точки В, в зависимости от угла поворота кривошипа α. методом геометрических ограничений в «КОМПАС-3D». Диаграммы ускорений в направлении осей X и Y показаны на рис. 11 и 12 соответственно.

Рисунок 11. Диаграмма ускорений точки В по оси X

Рисунок 12. Диаграмма ускорений точки В по оси Y

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Построив все эти диаграммы, и зная частоту вращения кривошипа, можем найти числовые значения скоростей и ускорений точки В центра масс кривошипа плунжерного насоса. 3. Заключение. Кинематический анализ механизма является трудоемким процессом и занимает достаточно большое количество времени из затрачиваемого конструктором на разработку новой модификации насоса. В связи с этим создание автоматизированной системы расчетов является актуальным. Для решения технической задачи возникает необходимость определения основных параметров рассматриваемой системы и выявления их взаимосвязей, позволяющих в дальнейшем проводить анализ силового взаимодействия составных частей шатунно-крейцкопфного механизма, так же автоматически. Автоматизированное построение диаграмм кинематических параметров шатунно-крейцкопфного механизма позволит создать автоматизированную систему расчетов силового взаимодействия его составных частей, и значительно ускорит процесс проектирования и модернизации, а также даст возможность получить данные о режимах нагружения узлов различных приводов плунжерных насосов, что позволит выполнять прочностные расчеты их деталей, в том числе с учетом фактора трения. ЛИТЕРАТУРА 1. Киреев, С. О. Анализ условий работы узлов трения скольжения приводной части плунжерных насосов высокого давления сервиса нефтегазовых скважин / С. О. Киреев, Б. Н. Васильев, С. Л. Никишенко, М. А. Васильев // Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2016. – № 5. – С. 25-30. 2. Левитская, О. Н. Курс теории механизмов и машин / Н. И. Левитский, О. Н. Левитская. – Киев: Выща школа, 1985. – 279 с. 3. Ганин, Н. Б. Автоматизированное проектирование в КОМПАС 3D / Н. Б. Ганин. – ДМК – Пресс, 2014 – 360 с. 4. Тимофеев, Г. А. Теория механизмов и машин: курс лекций: учебное пособие / Г. А. Тимофеев. – Москва: ИД Юрайт, 2010. 5. Киреев, С. О. Курсовое проектирование по теории механизмов и машин: учебное пособие / С. О. Киреев, М. В. Корчагина, С. Л. Никишенко – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2015 – 107 с. Поступила в редколлегию 21.01.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

УДК 621.43 С. О. Киреев, д-р техн. наук, проф., М. В. Корчагина, канд, техн. наук, доцент, Х. К. Кадеров канд, техн. наук, доцент, А. В. Ефимов канд, техн. наук, доцент Донской государственный технический университет (ДГТУ) Россия, г. Ростов на Дону Тел:+7(863)2738104; E-mail: spu-45.2@donstu.ru МОДЕРНИЗИРОВАННАЯ КОНСТРУКЦИЯ КОЛЬЦЕВОГО ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ПРЕВЕНТОРА С ТОРМОЗНЫМ УСТРОЙСТВОМ ПОРШНЯ В работе рассматривается конструкция кольцевого превентора, работающего в осложненных условиях. Для уменьшения износа резиновых уплотнительных колец в конструкцию добавлен узел торможения поршня. Приведено обоснование работоспособности модернизированной конструкции и произведены необходимые расчеты. Ключевые слова: кольцевой превентор, узел торможения поршня, осложненные условия, бурильная колонна, момент торможения. S. O. Kireev, M. V. Korchagina, H. K. Kaderov, A. V. Efimov MODERNIZED DESIGN ROTATABLE ANNULAR PREVENTER WITH A BRAKING DEVICE PISTON The paper deals with the design of a ring preventer operating in complicated conditions. To reduce the wear of rubber o-rings, a piston braking unit has been added to the design. The substantiation of efficiency of the modernized design is given and necessary calculations are made. Keywords: Annular preventer, piston braking unit, complicated conditions, drill string, braking moment.

Введение. Существенное влияние на процесс добычи оказывают осложнения возникающие в ходе бурения и эксплуатации скважин. Анализ основных осложнений, способов их предупреждения и ликвидации, позволяет правильно подобрать противовыбросовое оборудование, являющиеся одним из основных узлов при эксплуатации нефтегазовых скважин. Наиболее подходящим для осложненных условий противовыбросовым оборудованием является превентор кольцевой [1]. Кольцевой превентор предназначен для герметизации устья скважины в процессе бурения нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин. Уплотнитель превентора обеспечивает герметизацию устья скважины вокруг любой части бурильной колонны, обсадной колонны, насосно-компрессорных труб, а также при отсутствии инструмента [2]. Превентор позволяет производить расхаживание и протаскивание инструмента. Для выявления технического уровня данного вида оборудования и выбора пути его модернизации был проведен патентный поиск по результатам которого был выявлен ряд недостатков [3-5], которые в достаточной мере решены при создании модернизированного кольцевого вращающегося превентора с тормозным устройством поршня. Конструкция и принцип работы. Конструкция кольцевого вращающегося превентора с тормозным устройством поршня (рис. 1) включает корпус 1 с центральным проходным отверстием и кольцевой расточкой, в которой размещены поршень 2 и планшайба 3, размещенная между поршнем и корпусом. В стенке кольцевой расточки выполнены гидравлические каналы для связи ее полостей с гидроприводом. На корпусе закреплена крышка 4 с установленной в ее центральном резьбовом отверстии крышкой © Киреев С.О., Корчагина М.В., Кадеров Х.К., Ефимов А.В..; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

ремонтной 5 с центральным проходным отверстием. В корпусе и крышке с возможностью вращения на опорах качения расположена полая гильза 6. С верхней частью полости гильзы 6 герметично соединена опора верхняя 7 с центральным проходным отверстием, содержащая сферическую выемку. Под опорой верхней расположена опора нижняя 8 с центральным проходным отверстием, герметично установленная на торце поршня с возможностью вращения на опорах качения и скольжения, и герметично взаимодействующая с нижней частью гильзы. Уплотнительный элемент 9 расположен между верхней и нижней опорами и взаимодействует верхней частью со сферической выемкой опоры верхней 7, а нижней - с торцевой поверхностью опоры нижней 8. Модернизированный превентор дополнительно снабжен узлом торможения состоящим из прижима 10, прикрепленным к планшайбе 3 посредством винтов, уплотнительного элемента конической формы 11, кольцевого толкателя 12 закрепленного винтами 13 к верхней поверхности фланца поршня 2, пружинами сжатия 13. Превентор снабжен дистанционным кольцом 14 для фиксации радиального шарикового подшипника, на котором установлена гильза.

Рисунок 1. Превентор в открытом положении

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Превентор кольцевой вращающийся с тормозным устройством работает следующим образом: превентор устанавливают и закрепляют на устье скважины (посадочный фланец нижестоящего оборудования не показан). При проведении спускоподъемных операций (рис. 10) колонну труб 15 опускают через центральное проходное отверстие превентора, и уплотнительный элемент 9. Превентор при этом открыт, т. е. уплотнительный элемент 9 не сомкнут на трубе 15, т.к. не поджат поршнем 2. Для осуществления герметизации устья скважины подают гидравлическую жидкость в гидравлический канал корпуса 1 превентора для создания давления под поршнем 2. Под действием давления жидкости поршень 2 (рис 2) поднимается вверх и через опору нижнюю 8 воздействует на уплотнительный элемент 9, перемещая его вверх по сферической выемке опоры верхней 7 превентора. Уплотнительный элемент 9, упруго деформируясь при взаимодействии со сферической выемкой, смыкается, охватывая спущенную трубу 15, и перекрывает центральное отверстие опоры верхней 7, тем самым герметизируя устье скважины. Для проведения бурильных работ начинают вращение спущенной колонны труб 15, которое от нее благодаря силам трения, возникающим в результате поджатия материала уплотнительного элемента 9 в зонах контактов к герметизируемой поверхности, передается опоре нижней 8 и опоре верхней 7, и, далее, гильзе 6, начинающей вращение на подшипниках качения. Во время закрытия превентора кольцевой толкатель 12 упирается в прикрепленный к планшайбе прижим 10, с усилием необходимым для обеспечения торможения поршня обеспечиваемым пружинами сжатия13, коническое отверстие прижима 10 сопрягается своей внутренней поверхностью с кольцевым уплотнением 11 имеющим ответную коническую поверхность, обеспечивая возможность регулировки обжатия поршня 2 в радиальном направлении, предотвращая тем самым его вращение, а также обеспечивая дополнительную герметизацию. Кроме того, одновременно на контакте поз.10 и 12 усилие, создаваемое пружинами 13 образует дополнительный момент торможения равный произведению

Mт  F R

(1)

где FN – сила нормальная, Н; R– радиус окружности приложения силы F, м; µ – коэффициент трения. Вращение от колонны труб будет передаваться опоре нижней 8, которая будет вращаться относительно поршня 2 совместно с уплотнительным элементом 9 и гильзой 6. При необходимости открытия превентора гидравлическая жидкость подается в гидравлический канал корпуса расположенный над поршнем (рис. 10), поршень 2 под действием давления опускается вниз, уплотнительный элемент 9 под действием упругих свойств материала возвращается в исходное положение и освобождает колонну труб 15 для проведения необходимых работ.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Рисунок 2. Превентор в закрытом положении Расчет узла торможения. Рассматриваемый превентор используется для обсадных туб больших диаметров до 504 мм, поэтому диаметр бурильной тубы составит 168 мм [6]. Для проверки работоспособности узла торможения поршня рассчитаем крутящий момент бурильной колонны [7]

где Мкр – крутящий момент, Н·м, Nв – мощность на холостое вращение бурильной колонны, Вт; Nд – мощность на вращение долота, Вт;  – угловая скорость вращения бурильной колонны, с-1. Мощность на холостое вращение бурильной колонны (кВт) определяется по формуле:

где L – длина колонны, м L= 860 м; dн – наружный диаметр бурильных труб, м dн=0,146 м Dд- диаметр долота, м Dд= 0,49 м;

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

п – частота вращения, об/мин п=250 об/мин; γр – удельный вес раствора, Н/м γр= 1400 Н/м.

N в  13,5  10 8  860  0,146 2  250 1,5  0,49 0,5  1400  9,5кВт Мощность на вращение долота (кВт) определяется по формуле ,

где N – коэффициент равный 9545; С – коэффициент, зависящий от крепости породы, для мягких пород С = 2,6; для средних пород С = 2,3; для крепких пород С = 1,85; Dд – диаметр долота, м; Qд – осевая нагрузка на долото, Н Qд.=79,56 Н.

N д  9545  2,3  10 4  250  0,49 0, 4  79 .56 1,3  78,5кВт 9,5  10 3  78 ,5  10 3 М   4,51  10 3 Н  м 19 ,36 Рассчитаем момент торможения предлагаемого устройства по формуле (1). Расчетная схема показана на рис. 3.

Рисунок 3. Расчетная схема узла торможения Согласно предлагаемой конструкции усилие прижиму будет передаваться от пружин сжатия расположенных в толкателе. Учитывая коническую форму уплотнителя можно записать: , где –нормальная сила, действующая на цилиндрический поршень, Н; FNк – нормальная сила, действующая на коническую поверхность уплотнителя, Н;

α – угол конуса, α=15о.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

В свою очередь нормальная конической поверхности сила равна: , где Fпр – сила пружины, Н Для обеспечения торможения поршня подобрано 16пружинн , 3 класса которые равномерно распределены под толкателем, приведенная сила будет равна: . . M т  179138  0,63  0,05  5632 Нм Поскольку момент торможения Мт=5,6103  Мкр=4,5103будет производить торможение поршня разработанной конструкцией. Заключение. В работе представлена модернизированная конструкция кольцевого сферического превентора, включающая узел торможения поршня. Для проверки работоспособности разработанной конструкции произведены расчеты крутящего момента бурильной колонны и момента торможения создаваемого прижимным устройством. Расчеты показали, что предлагаемая конструкция работоспособна и может быть использована в кольцевых превенторах. ЛИТЕРАТУРА 1. Гульянц, Г. М. Справочное пособие по противовыбросовому оборудованию скважин / Г.М. Гульянц – М.: Недра, 1983. – 384 с. 2. ГОСТ 13862-90. Оборудование противовыбросовое. Типовые схемы, основные параметры и технические требования к конструкции.– М: Издательство стандартов, 1990. – 22 с. 3. Абубакиров, В. Ф. Оборудование буровое, противовыбросовое и устьевое: cправ. пособ. Т.1. / В. Ф. Абубакиров [и др.] – М.: ООО ИРЦ Газпром, 2007. – 500 c. 4. Пат. 2208126 Российская Федерация, МПК E21B 33/06. Вращающийся универсальный гидравлический превентор [текст] / Бондарь А. В., Петрушин В. И., Савинов А. В., Чагин С. Б., Шевцов Д. В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие Воронежский механический завод. – № 2001102697/03; заявл. 29.01.2001; опубл. 10.07.2003. – 3с. 5. Пат. 2527054. Российская Федерация, МПК E21B 33/06. Превентор кольцевой сферический роторный [текст] / Легостаев А. М., Хайруллин Б. Ю., Витязев О. Л.; заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество Научнопроизводственное предприятие СибБурМаш. – № 2013131333/03; заявл. 08.07.2013; опубл. 27.08.2014. – 10с. 6. Ефимченко, С. И. Расчеты ресурса несущих элементов буровых установок: учебное пособие/ С. И. Ефимченко. – М.: РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2001. – 171 с. 7. Баграмов, Р. А. Машины и оборудование для бурения нефтяных и газовых скважин. Расчеты на прочность.: учеб. пособие / Р. А. Баграмов.– ГАНГ им. И. М. Губкина. – Москва; 1997. Поступила в редколлегию 02.02.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

УДК 621 А. В. Костенко, канд. техн. наук, 2А. Н. Михайлов, д-р техн. наук, проф., 2 А. В. Лукичев, канд. техн. наук 1 Камчатский государственный технический университет, Россия, г. ПетропавловскКамчатский 2 Донецкий национальный технический университет, ДНР E-mail: andr13kost@list.ru, mntk21@mail.ru, a_lukichov@mail.ru 1

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ СУДОВЫХ АГРЕГАТОВ Определены особенности технологических воздействий для деталей судовых агрегатов на основе функционально-ориентированного подхода. Приведена объектно-ориентированная модель синтеза структуры функционально-ориентированного технологического процесса. Приведена классификация и способ кодировки методов отделочно-упрочняющей обработки, применяемых для деталей судовых агрегатов. Показан универсализированный подход к созданию технологического процесса отделочноупрочняющей обработки методом графов на основе функционально-ориентированного подхода. Ключевые слова: агрегат судовой, функционально-ориентированная технология, отделочноупрочняющая обработка, структура, граф технологического процесса. A. V. Kostenko, A. N. Mikhaylov, A. V. Lukichov FEATURES OF THE FUNCTIONALLY-ORIENTED FINISHING AND STRENGTHENING TREATMENT STRUCTURE OF THE SHIP'S ASSEMBLIES DETAILS The features of technological impacts for details of ship assemblies are determined on the basis of a functionoriented approach. an object-oriented model for the synthesis of the structure of a function-oriented process is presented. a classification and coding method for finishing and strengthening treatment used for parts of ship assemblies are given. a universalized approach to the creation of the technological process of finishing and strengthening treatment by the graph method based on a function-oriented approach is shown. Keywords: ship unit, function-oriented technology, finishing-strengthening treatment, structure, graph of the technological process.

Введение. К конструкции дизелей предъявляются новые требования, связанные не только с совершенствованием конструкций, повышением мощности и надежности, но и с изменяющимся подходом к обслуживанию и ремонту, например, увеличивающийся интерес к созданию агрегатов с заданными параметрами качества, в том числе, агрегатов, имеющих единый ресурс составляющих частей. Решение таких задач напрямую связано с развитием существующих и созданием новых технологических процессов, в частности, на основе функциональноориентированного подхода (ФОП). Различные методы отделочно-упрочняющей обработки (ОУО) самым широким образом используются при производстве деталей судовых дизелей и других агрегатов, поэтому актуальной является задача не только совершенствования самих методов, но и разработки методологии с целью их использования на основе ФОП. Целью статьи является универсализация технологического процесса ОУО методом графов. Задачи исследования: определить особенности выполнения ТВ для деталей судовых агрегатов на основе ФОП;

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

рассмотреть объектно-ориентированную модель синтеза структуры технологического процесса; привести классификацию и кодировку методов ОУО, применяемых для деталей судовых агрегатов; рассмотреть универсализированный подход к созданию технологического процесса ОУО методом графов на основе ФОП. Основная часть. Технологический процесс преобразования исходных параметров заготовки в заданные параметры детали осуществляется посредством потоков технологических воздействий (ТВ) материального, энергетического и информационного типов. В связи с этим ТВ являются в функционально-ориентированных технологиях (ФОТ) основным средством в процессе технологических преобразований заготовки в деталь с требуемым набором параметров. Поэтому вопрос о формировании ТВ в зависимости от особенностей эксплуатации и обеспечения свойств деталей судовых агрегатов актуален в технологии машиностроения. Поскольку практически все разрушения деталей начинаются с поверхности [1], то формирование требуемых параметров качества поверхностного слоя (ПС) является одной из наиважнейших задач технологии. Вид разрушения поверхности зависит от условий работы детали – действий эксплуатационных функций. Точный учет этих функций является залогом успешного решения задачи по изготовлению деталей с заданными параметрами качества. Процесс создания и реализации необходимых схем ТВ в ФОТ должен основываться на анализе взаимосвязи действующих на деталь эксплуатационных функций, реализации ТВ и обеспечении требуемых свойств детали [2]. ОУО представляет собой широкий спектр методов получения ПС с заданными параметрами для деталей различных судовых агрегатов, в том числе и судовых дизелей. Поэтому необходимо структурировать ТВ ОУО, применяемые для деталей судовых агрегатов, что позволит разработать в дальнейшем методологию использования методов ОУО на основе ФОП. Наличие большого количества альтернативных методов получения заданных характеристик ПС порождает проблему выбора такого метода, который наиболее точно подходил для реализации конкретных требований к параметрам ПС детали, как набора исполнительных поверхностей. С учетом особенностей ФОТ, где деталь представлена совокупностью функциональных элементов на различных уровнях глубины технологии (детали в целом, частей, составляющих частей, зон, макрозон, микрозон, нанозон) проблема выбора метода ОУО становится еще более актуальной. Любое ТВ можно представить в виде множества кортежей, каждый из которых реализуется в заданную точку пространства детали. В связи с этим, ТВ, реализуемые на функциональный элемент (ФЭ)детали, можно записать множеством кортежей следующего вида [3] (1) TB m1 ,e1 ,i1 , m2 ,e2 ,i2 ,..., mn ,en ,in , где mk ,ek ,ik – трехэлементный кортеж элементарного ТВ средств обработки материального, энергетического и информационного типов. Для выполнения требуемых ТВ на ФЭ детали в ФОТ множество кортежей ТВ необходимо упорядочить. То есть, необходимо направить заданное количество ТВ в необходимые точки пространства ФЭ детали. Упорядочивание элементов множества выполняется на базе схем ТВ и реализации принципов их ориентации.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Параметры элементов каждого кортежа определяются из условия требуемого преобразования физико-механических свойств материала ФЭ детали в заданной точке пространства: СH : k Ck (2) где СH– начальные свойства точки к пространства ФЭ изделия; Сk– конечные свойства точки к пространства ФЭ изделия; φk– функция преобразования начальных свойств точки k пространства ФЭ изделия в конечные свойства под действием элементарного ТВ материального, энергетического и информационного типов. Для каждой детали должно реализовываться свое множество ТВ, орудий и средств обработки, с учетом особенностей ТВ, реализующихся на базе ФОП. Выделим особенности выполнения ТВ для деталей судовых агрегатов: 1) ТВ реализуется в требуемом объеме и в необходимое пространство (поверхность) детали; при этом существуют как традиционные, так и специальные подходы, учитывающие особенности геометрии деталей или обеспечивающие специфические свойства деталей или узлов. Актуальным остается направление исследований, занимающееся поиском новых методов и подходов с целью обеспечения качественно новой совокупности свойств и мерой полезности; 2) зависимость ТВ от служебного назначения и действия эксплуатационных функций. Отметим, что данная особенность предполагает обеспечение изменения свойств детали во времени и пространстве, требуемого ресурса и полной адаптации свойств детали требованиям эксплуатации судовых агрегатов; 3) формирование ТВ осуществляется в зависимости от уровня технологии, что подразумевает возможность реализации ТВ на уровне всего изделия, частей, составляющих, зон, макрозон, микрозон и нанозон изделия; 4) требования к высокой точности ТВ, которые увеличиваются с углублением уровня технологии; 5) ориентация ТВ на базе особых принципов [4]. Для ряда методов ОУО, например, напыление, реализация ТВ существенным образом зависит от перемещения орудий и средств обработки в пространстве. Выполнение заданных ТВ на ФЭ в этом случае реализуется посредством кинематики. На рис. 1 представлена принципиальная схема кинематики ТВ, на базе которой могут быть составлены различные варианты кинематической структуры ТВ.

Рисунок 1. Принципиальная схема кинематики ТВ По структуре кинематики, ТВ могут быть основаны [4]: на применении элементарных прямолинейных движений

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

(3) Str1 П x, y,z , где П(х, у, z)– группа прямолинейных движений в системе координат х, у, z технологического обеспечения; на применении элементарных вращательных движений (4) Str2 B x, y,z , где В (х, у, z) – группа вращательных движений в системе координат х, у, z технологического обеспечения; на применении сложных движений (5) Str3 П x, y,z B x, y,z , на применении комбинированных движений Str4 Str1 Str2 Str3 . (6) На базе структурных вариантов кинематики (3-6) формируются необходимые ТВ для их реализации в необходимую точку пространства ФЭ детали. Упорядочивание множества ТВ в ФОТ производится одновременно с формированием структуры ФЭ детали по следующим параметрам: геометрическая форма, свойства материала, точность, параметры качества, эксплуатационные свойства. Указанные выше особенности синтеза структуры технологического процесса на базе ФОП позволяет применить объектную ориентацию для решения всего круга проблем, связанных с проектированием сложных технологических систем. Объектно-ориентированное проектирование, собственно, и позволяет рассматривать синтез структуры технологического процесса на базе ФОП, как совокупность взаимодействующих друг с другом объектов. Под объектом понимают информационную структуру в виде совокупности атрибутов (свойств, параметров, характеристик) и совокупности методов (действий, процедур, операций). Каждый объект является представителем некоторого класса однотипных объектов, описывающего общие свойства входящих в него объектов. Описание класса включает: состав атрибутов, для каждого из которых указаны тип данных и область значений, и совокупность методов, общих для всех объектов класса. Конкретный объект, называемый экземпляром, определяется конкретными значениями атрибутов. [5] Объектно-ориентированный подход наиболее соответствует реальному процессу разработки технологических систем, при этом является итеративным и позволяет вносить изменения в уже разработанные и отлаженные компоненты системы, что, кстати, является особенностью ФОТ. Исходя из этого, на рис. 2 представлена объектно-ориентированная модель синтеза структуры функционально-ориентированного технологического процесса (ФОТП), направленного на обеспечение заданных, требуемых или предельных свойств ФЭ детали и всей детали в целом [2,6]. Отметим в предлагаемой модели наличие трех баз данных [6]. В базе №1 содержится набор свойств ФЭ изделия, в базе №2 накоплены принципы, методы и способы технологических преобразований, в базе №3 – схемы ТВ. C помощью схем ТВ (база №3) выполняется преобразование свойств изделия из начальных параметров в конечные свойства (база №1) на основе принципов и методов (база №2). База №2 должна содержать весь спектр методов ОУО для групп деталей судовых агрегатов. Основные требования к базе №2 следующие:

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

охват всех групп методов ОУО; учет видов обрабатываемых поверхностей; учет применяемого оборудования и инструментов; включать в характеристику методов конечный результат их применения, что позволит при анализе отбирать различные по технологии методы, но формирующие одинаковые показатели качества деталей (ПС деталей); возможность управлять эксплуатационными свойствами деталей; возможность применения методов для всех уровней глубины технологии в соответствии с особенностями ФОТ.

Рисунок 2. Объектно-ориентированная модель синтеза структуры ФОТП Т.о. для использования в ФОТП изготовления деталей судовых агрегатов важна классификация методов ОУО, представленная в работе [7], в соответствии с которой все методы делятся на шесть классов. Каждый метод или способ в базе должен быть однозначно определен цифровым обозначением: A.B.CD , где А – класс ОУО; В – подкласс ОУО; СD – индивидуальный номер метода. На рис. 3 показана кодировка и классификация методов ОУО для проектирования технологических процессов изготовления деталей судовых агрегатов на основе ФОП. Полная расшифровка классификации методов ОУО приведена в [7].

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Рис. 3. Кодировка и классификация методов ОУО Ниже, для иллюстрации, показана только часть методов ОУО, используемых при производстве деталей судовых агрегатов или представляющих перспективу для использования в судовом машиностроении, с указанием их цифрового обозначения и наименования: 1. Упрочнение с образованием пленки на поверхности: 1.1. Осаждение химической реакцией: сульфидирование (1.1.01); фосфатирование (1.1.02). 1.2. Электролитическое осаждение: хромирование (1.2.01); никелирование (1.2.02). 1.3. Напыление износостойких соединений: плазменное напыление порошковых материалов (1.3.01); детонационное напыление (1.3.02); электродуговое напыление (1.3.03); лазерное напыление (1.3.04). 2. Упрочнение с изменением химического состава поверхностного слоя металла: 2.1. Диффузионное насыщение: цианирование (2.1.01); азотирование (2.1.02). 2.2. Химическое и физико-химическое воздействие: химическая обработка (2.2.01); электроискровое легирование (2.2.02). 3. С изменением структуры поверхностного слоя: 3.1. Физико-термическая обработка: лазерная закалка (3.1.01); плазменная закалка (3.1.02). 3.2. Электрофизическая обработка: электроконтактная (3.2.01); ультразвуковая (3.2.02). 3.3. Механическая: фрикционно-упрочняющая обработка (3.3.01); дробеструйная (3.3.02). 3.4. Наплавка легированным элементом: электрической дугой (3.4.01); плазмой (3.4.02); лазерным лучом (3.4.03). 4. С изменением энергетического запаса поверхностного слоя

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

4.1. Обработка в магнитном поле: в импульсном магнитном поле (4.1.01); термомагнитная (4.1.02). 4.2. Обработка в электрическом поле: механическая обработка в электростатическом поле (4.2.01). 5. С изменением структуры по всему объему материала: 5.1. Термообработка при положительных температурах: закалка (5.1.01); отпуск (5.1.02); улучшение (5.1.03); закалка ТВЧ (5.1.04); нормализация (5.1.05). 5.2. Криогенная обработка: закалка с обработкой холодом (5.2.01); термоциклирование (5.2.02). 6. С изменением микрогеометрии поверхности и наклепом: 6.1. Обработка резанием: точение (6.1.01); шлифование (6.1.02); микрорезание (6.1.03). 6.2. Пластическое деформирование: накатывание, обкатывание, раскатывание (6.2.01); выглаживание (6.2.02); вибронакатывание, вибровыглаживание (6.2.03); формообразующая обработка пластическим деформированием (6.2.04); виброударное упрочнение (6.2.05). На базе приведенной классификации методов и способов ОУО создаетсянабор ТВ, совокупное множество которых воздействуют на заготовку, преобразуя свойства заготовки в заданные свойства деталей судовых агрегатов:

TB1 ,TB2 ,...TBk .

(7)

Отдельные ТВ, преобразующие исходные свойства ФЭ заготовки в выходные параметры качества ФЭ деталей судовых агрегатов, необходимо назначать исходя из универсального подхода к созданию ФОТП. В соответствии с иерархической структурой детали по глубине технологии будет существовать иерархическая структура технологического процесса. ТВ, входящие в эту структуру, в свою очередь, также характеризуются внутренней структурой, которая определяет внутреннюю организацию, порядок и построение ТВ на ФЭ детали:

StrTB

T,A ,

(8)

где StrТВ – структура ТП; Т – множество операций; А – множество отношений. Для математического описания протекания технологических процессов и отдельных технологических операций удобно использовать математический аппарат, основанный на использовании основных положений теорий множеств и графов. На основе ФОП рассмотрим универсализированный подход к созданию технологического процесса ОУО методом графов. Поскольку для всего набора методов ОУО создание универсального графа является весьма сложной задачей, т.к. для каждой группы методов есть свои специфические особенности, то приведем пример разработки графа для напыления покрытий. В связи с этим, представим технологический процесс напыления в виде графа G(Т,А): Т – это множество вершин графа – элементы (операции) ТП; А – упорядоченные пары вершин – отношения между элементами (операциями). В общем случае теории множеств отношения между вершинами могут быть ориентированными и неориенти-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

рованными. В графе ТП отношения являются ориентированными, что изображается в виде дуг со стрелками и означает, что начальная вершина каждой последующей цепи маршрута должна совпадать с конечной вершиной предыдущей дуги, т.е. «движение» возможно только в направлении стрелки.

Рисунок 4. Универсализированный граф ТП напыления на основе ФОП. На рис. 4 представлен универсализированный граф ТП напыления на основе ФОП, при этом: tij – вершины графа – возможные операции; аij – дуги (ориентированные ребра) отношения между операциями технологического процесса ОУО.

Рисунок 5. Структурный вариант операций ионно-плазменного напыления внутренней поверхности цилиндровой втулки в вакуумной ионно-плазменной установке

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Применение технологии ионно-плазменного напыления позволит сформировать на внутренней поверхности цилиндровой втулки ПС с необходимыми параметрами, обеспечивающими соответствие особенностям интенсивности изнашивания материала, которая (интенсивность), как известно, в верхней части втулки более высокая. Приведем структурный вариант (рис. 5) полного состава операций ТП ионноплазменного напыления внутренней поверхности цилиндровой втулки в вакуумной ионно-плазменной установке. Таким образом, используя универсализированный подход к созданию ТП ОУО можно синтезировать различные варианты ТП для методов ОУО, представленных выше по классификационной схеме (рис. 3). Заключение. Разработанный граф ТП напыления на основе ФОП позволяет создавать ТП изготовления деталей судовых агрегатов на основе универсального подхода. Используя такой подход можно синтезировать различные структурные варианты функциональноориентированных методов ОУО, что позволит создавать детали с заданными свойствами ПС, в том числе с заданным единым ресурсом, увязанным с ресурсом агрегата. ЛИТЕРАТУРА 1. Инженерия поверхности деталей / Кол. авт.; под ред. А. Г. Суслова. – М.: Машиностроение, 2008. – 320 с. 2. Михайлов, А. Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий машиностроения / А. Н. Михайлов. – Донецк : ДонНТУ, 2009. – 346 с. 3. Михайлов, А. Н. Структура функционально-ориентированного процесса / А.Н. Михайлов, А.В. Костенко // Механики XXI веку. – 2018. - №17. – С. 206-210. 4. Михайлов, А. Н. Общие принципы повышения эксплуатационных свойств деталей судовых агрегатов на базе функционально–ориентированных технологий / А. Н. Михайлов, А. В. Костенко // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – 2015. – № 6 (314). – С. 82-87 5. Силич, В. А. Проектирование сложной системы на основе объектноориентированного подхода / В. А. Силич, М. П. Силич // Известия Томского политехнического университета. – 2003. – Т. 306, №2,. – С. 99-103. 6. Костенко, А. В. Синтез структуры функционально-ориентированного процесса изготовления цилиндровых втулок на основе анализа работы судовых дизелей / А. В. Костенко // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. – 2017. – Т. 9. – № 1. – С. 176-186. 7. Улашкин, А. П. Выбор отделочно-упрочняющих методов обработки (для повышения износостойкости деталей машин) / А. П. Улашкин. – Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 1998. – 103 с. Поступила в редколлегию 19.01.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

УДК 539.3. 539.374 В. Ю. Марина, д-р физ.-мат. наук, проф., В. И. Марина, канд. физ.-мат. наук, доцент Технический Университет Молдовы, Молдавия Тел./факс: +373 69954175, E-mail: marina_viorica@yahoo.com О ПРИЧИНАХ ЗАДЕРЖКИ ТЕКУЧЕСТИ На основе структурной модели среды с бесконечным числом подэлементов исследуются термовязкоупругие процесы нагружения. Показанно, что продолжительность обратимого состояния деформирования определяется не термовязкоупругими, а термовязкопластическими свойствами подэлементов. Данное явление следует из кинематической связанности системы подэлементов, вследствие которой, хотя процесс необратимого деформирования элемента тела начинается при нулевой макроскопической скорости в наиболее слабом подэлементе скорость необратимого деформирования больше нуля. В системе определяющих уравнений фигурируют только параметры характеризующие общее состояние элемента тела. Ключевые слова: определяющие уравнения, напряжения, деформации, подэлемент, параметры состояния, поликристалл. V. I. Marina, V. I. Marina ABOUT THE REASONS OF A DURABILITY DELAY On the basis of a structural model of a medium with an infinite number of subelements, thermovisco-elastic loading processes are investigated. It is shown that the duration of the reversible state of deformation is determined not by the thermoviscoelastic, but by the thermoviscoplastic properties of the sub-elements. This phenomenon follows from the kinematic connectedness of the system of subelements, as a result of which, although the process of irreversible deformation of an element of a body begins at zero macroscopic deformation rate, in the weakest subelement it is greater than zero. In the system of defining equations, only the parameters characterizing the general state of the element of the body appear. Keywords: governing equations, stresses, strains, sub-element, state parameters, polycrystal.

1.Введение Для описания процессов нагружения, в которых отклик материала существенно зависит от скорости протекания процесса деформирования и нагрева, используется процедура построения определяющих уравнений принятая в структурных моделях среды, согласно которым, макроскопический однородный элемент тела представляется в виде бесконечного числа связанных между собой подэлементов, наделённых простейшими свойствами: упругостью, вязкопластичностью, упрочнением и разупрочнением [1-4]. Несмотря на то, что подэлементы обладают только элементарными свойствами, в силу взаимодействия между ними, их совокупность даёт возможность описать свойства запаздывания скалярных и тензорных свойств при сложном нагружении, дискретная механическая память при циклическом неизотермическом нагружении по прямолинейным траекториям, запаздывания текучести и др. 2. Общие уравнения структурной модели среды В структурных моделях среды напряжения и деформации на уровне макроэлемента полликристаллического тела, обозначают через tij , dij , а на уровне подэлемента -

tij , dij . Девиаторные шаровые компоненты этих тензоров представляются в виде 1  ij  tij  tnn ij , 3

1  ij  tij  tnnij , 3

(1)

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

1  ij  dij  d nn ij , 3 1  0  tnn , 3

№ 1(64)’2019

1  ij  dij  d nn ij , 3

1  0  tnn , 3

1  0  d nn , 3

(2)

1  0  d nn . 3

(3)

Для установления взаимосвязи между величинами на уровнях элемента тела и подэлементов используются известные соотношения Хилла [5] 1 tij  tij  (4)  tij dV , V0 V 0

dij  dij 

1  d ij dV , V0 V

(5)

tij dij  tnm d nm  t pq d pq ,

(6)

где . - знак осреднения по объёму V0 . Уравнения (4)–(6) необходимы, но недостаточны для определения зависимости между макроскопическими напряжениями и деформациями, если заданы соотношения между напряжениями и деформациями на микроскопическом уровне. Для получения замкнутой системы уравнений необходимы дополнительные принципы, которые отражали бы явление самосогласования процессов деформирования структурных подэлементов в конгломерате. В работах [2-4] в качестве дополнительных принципов, были приняты принципы экстремума несоответствия микроскопических мер с подходящими средними значениями макроскопических аналогов, например

 ij  ij   ij  ij  Extr.,

(7)

и уравнений композиций

 ij   ij  ij   ij   3 0   0  0   0   0,  ij   ij  Bijnm  nm   nm  ,

(8) (9)

где тензор четвёртого ранга Bijnm для макроскопических изотропных поликристаллов представляется в виде 1  ij  nm   im jn . (10) 2 На основании системы (4) – (9) можно построить, в статистическом приближении, макроскопические определяющие уравнения, если известны зависимости между микронапряжениями и деформациями. Bijnm  BI ijnm ,

I ijnm 





Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Компоненты девиатора деформации  ij подэлемента представляются в виде суммы обратимых (упругих) eij и необратимых pij компонент

 ij  eij  pij ,

(11)

где eij   ij 2G , G - модуль сдвига общий для всех подэлементов. Упругие составляющие деформации подэлементов представляются в виде eij   ij  sij .

(12)

Здесь  ij компоненты девиаторов предельных упругих деформаций подэлементов в структурно стабильном состоянии; s ij - приращение компоненты девиатора предельных упругих деформаций подэлементов в результате изменения структуры при необратимом деформировании. В качестве параметра, определяющего принадлежность величин  , e, s к определённому подэлементу, выбирается вес необратимо деформированых подэлементов  0    1 в момент его перехода за пределы упругости при первоначальном нагружении. Предполагается далее, что  зависит только от осредненных скоростей необратимых деформаций [2]

 

1   0



dp ij dp ij d ,

(13)

и тепловой деформации  T . Точкой сверху обозначена производная по времени соответствующей величины;   -текущий вес необратимо деформируемых подэлементов. Тогда модуль    ij ij , задаётся в виде следующей функции

    ,  ,  T  .

(14)

Величина s  sij sij , характеризующая упрочнения и разупрочнения материала в результате изменения его структуры, определяется соотношением типа БейлиОрована

x0  x0 ( ,  T ) , (15) s  as  x 0  p ij p ij  Rs  x0 ,  T , где функции упрочнения a и разупрочнения R одни и те же для всех подэлементов, удовлетворяют условию a s  x0  const., R s  x0  0. 3. Термовязкоупругие процессы. Задержка текучести В этих процессах все подэлементы находятся в обратимом состоянии. Поэтому    0, s  0 ,

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

 ij  2G  , v  ij ,   2G ,

№ 1(64)’2019

   ij ij ,    ij ij ,

   nn  , v  .

(16)

Из приведённого выражения следует, что термовязкоупругие процессы определятся двумя факторами: зависимостью модуля сдвига от параметров состояния  , v и протяжённостью термовязкоупругого состояния элементя тела  nn  , v  . При этом модуль объёмной упругости K согласно выражению c

3 K T  const . , T

предполагается независящим от скорости деформирования и температуры T . Поэтому объёмное напряжение определяется соотношением

 0  K  0   T ,

K  const. ,

(17)

где по прежнему  0 - общее изменение объёма;  T - немеханическое изменение объёма (температурное, структурное и т.д.); K - объёмный модуль упругости. Вследствии этого коэффициент Пуассона  определяется по формуле

  , v  

K  2G  , v  1  E  , v    1  . 2K  G  , v  2  K 

(18)

Из приведённого выражения следует, что в процесах, в которых модуль сдвига G уменьшается, коэффициент Пуассона увеличивается. Это явление имеет широкое экспериментальное подтверждение [7]. Заметим, что продолжительность обратимого состояния по деформации определяется не термовязкоупругими свойствами, задаваемыми функцией G  G  , v  , а термовязкопластическими  nn   nn  , v  . Данное явление следует из кинематической связанности системы подэлементов (9), которое в случае изотропной упругости подэлементов, при пропорциональном нагружении замисывается в виде

    B    ,

(19)

или

e  e  m p  p  ,

m

B . 2G  B

(20)

Из (20) видно, что хотя процесс необратимого деформирования элемента тела начинается при нулевой макроскопической скорости деформирования p  0 , в наиболее слабом подэлементе p  0 . В результате этого пределы упругости подэлементов становятся зависящими от скорости деформирования элемента тела, что, в свою очередь, приводит к изменению  nn . Таким образом, термовязкопластические свойства подэлементов благодаря непрерывности перехода материала из обратимого состояния в необратимое оказывают влияние и на термовязкоупругие характеристики материала.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Кинематическая связанность подэлементов приводит к взаимному влиянию явлений различной природы. В упрощённом варианте из (4) и (5) следует равенства 1

p   p  d ,

e   e  d , 0

p      0.

(21)

Если подэлементы деформируются на линейном участке упрочнения

e      ,  , v   ap ,

(22)

где a - коэффициент упругости из (20)-(22) в испытаниях с   const ., v  const. находим выражение для веса необратимо деформированных подэлементов

 

a  m  p  e  mp

am , e, p  m

e, p 

e p,  , v  . p

(23)

Взаимосвязь между коэффициентом упрочнения a и параметром m , характеризующим кинематическую схему соеденения подэлементов, устанавливается на основе принципа несоответствия (7) [2]

m  a  a  a 2 . (24) Перейдём к установлению продолжительности процесса обратимого деформирования элемента тела. С этой целью определим момент наступления текучести, который в дальнейшем обозначим через t1 . Параметр  в момент времени t  t1 вычислим на основе (13), (23), учитывая, что p t1   0 получим et1   enn t1    nn, v v  ,  t1   0 . (25) am am Подставляя (24) в (16) получим уравнения, определяющие время наступления текучести  t   (26)  nn  1 , vt1    t1  . a  m  Наиболее простые зависимости между  ~  получаем в случае, когда модуль сдвига от параметра  не зависит

 t1  

G  , v   G v  . Тогда вязкоупруги свойства v  const. определяются только протяжённостью обратимого участка деформирования. Система (24)-(25) естественным образом отражает явление задержки текучести, которое, как отмечалось, следует из уравнения непрерывности перехода материала из обратимого состояния в необратимое. Таким образом, на основе концепции непрерывности перехода удаётся описять ряд термовязкоупругих эффектов элемента тела, наделив подэлементы только термовязкопластическими свойствами. При этом автоматически устраняется проблема границы между термовязкоупругими и термовязкопластическими свойствами материала. Уравнения термовязкоупругих процессов

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

1       b  , (27)  b    2G  обладают всеми характерными особенностями материала в обратимой области. При нагружении с постоянной скоростью изменения деформации   const. из (27) слудует   const . и наоборот, что приводит к линейной зависимости между напряжениями и деформациями в подобных испытаниях. В опытах с   const . система (27) описывает ползучесть, а при   const. релаксацию напряжения элемента тела. Каждому значению напряжения соответствует единственное равновесное значение деформации, и наоборот G o, v   G0 v  ,   G0  . Равновесное значение отклика достигается только по истечению достаточного времени. В зависимости от вида функции G  , v  для достижения равновесия может потребоваться от микросекунд до очень больших промежутков времени. 4. Заключение Показано, что явление причины задержки текучести связано с условием непрерывности перехода материала из обратимого в необратимое состояние. В следствии кинематической связанности системы подэлементов скорость необратимого деформирования в наиболее слабом подэлементе p  0 , хотя на макроскопическом уровне p  0 . В результате этого пределы упругости подэлементов становятся зависящими от скорости деформирования элемента тела, что, в свою очередь, приводит к зависимости протяжённости упругого участка от условий нагружения. Таким образом, термовязкопластические свойства подэлементов благодаря непрерывности перехода материала из обратимого состояния в необратимое оказывают влияние и на термовязкоупругие характеристики материала. Кинематическая связанность подэлементов приводит к взаимному влиянию явлений различной природы.

  2G  , v  ,

   nn  , v  ,

 

ЛИТЕРАТУРА 1. Шевченко, Ю. Н. Структурная модель среды при неизотермическом процессе нагружения / Ю. Н. Шевченко, В. Ю. Maрина // Прикладная механика. – 1976. – № 12. – С.12-27. 2. Maрина, В. Ю. Уравнения упругопластического деформировании тел при пропорциональном неизотермическом нагружении / В. Ю. Марина. // Прикладная механика. – 1997. – Т. 33(34). – № 2. – С.9 - 17. 3. Maрина, В. Ю. Исследования влияния фактора анизотропии на закономерность изменения объёма в элементах микроструктуры / В. Ю. Марина, В. И. Maрина // Металлофизика и новейшие технологии. – 2017. – Т. 39. – № 3. – С. 387 – 399. 4. Maрина, В. Ю. Сравнение многоэлементных моделей учитывающих неравномерность деформирования и нагружения в поликристаллических материалах / В. Ю. Марина, В. И. Maрина // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. – 2016. – № 1(52). – С. 117 – 125. 5. Хилл, Р. Об определяющих макроскопических переменных для неоднородных твёрдых тел при конечных деформациях / Р. Хилл // Механика (сб. перевод, иностр. статей). – 1973. – № 1. – С. 111-128. 6. Белл, Дж. Экспериментальные основы механики деформируемых твёрдых тел. Ч. 1 / Дж. Билл // Малые деформации. – М.: Наука, 1984. – 596 с. Поступила в редколлегию 25.01.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

УДК 53.096 Е.В. Овчинников д-р техн. наук, доц., Гродненский государственный университет им. Янки Купалы, Беларусь Физико-технический институт НАН Беларуси, Беларусь Тел./факс: +375 (152) 684108; E-mail: ovchin@grsu.by ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В работе рассмотрены вопросы формирования и применения поверхностно-активных веществ (ПАВ) для модифицирования полимерных материалов. Проведенные эксперименты по модифицированию полиамидных волокон фторсодержащими олигомерами показали перспективность применения фторорганики в качестве аппретов. В результате проведенных исследований по изучению влияния фторсодержащих ПАВ на физико-механические характеристики полиамидных волокон установлено увеличение прочностных характеристик полимерных материалов. Показано, что фторсодержащие олигомеры в зависимости от строения оказывают различное защитное действие на полиамидные волокна. Покрытия, образованные из полярных олигомеров оказывают более эффективное защитное действие к воздействию агрессивных сред, чем покрытия, сформированные из неполярных олигомеров Ключевые слова: покрытие, структура, морфология, прочность, поверхностно-активные вещества Y.V. Auchynnikau INFLUENCE OF SURFACE-ACTIVE SUBSTANCES ON THE STRENGTH OF CHARACTERISTICS OF POLYMER MATERIALS The paper deals with the formation and use of surface-active (surfactant) substances for the modification of polymeric materials. Experiments on the modification of polyamide fibers with fluorine-containing oligomers have shown the promise of using organofluorine as coupling agents. As a result of studies on the effect of fluorinated surfactants on the physicomechanical characteristics of polyamide fibers, an increase in the strength characteristics of polymeric materials has been established. It is shown that, depending on the structure, fluorinecontaining oligomers have a different protective effect on polyamide fibers. Coatings formed from polar oligomers have a more effective protective effect against aggressive media than coatings formed from non-polar oligomers. Keywords: coating, structure, morphology, strength, surfactants

1. Введение. Особую актуальность в современном производстве приобретают энергоресурсосберегающие технологии и материалы. В связи с этим интенсифицированы исследования в области разработки и применения тонкопленочных покрытий различного функционального назначения. Применение данных материалов и технологий, при сравнительно небольших экономических затратах позволяют достичь технически значимых эффектов повышения износостойкости, прочности и других служебных характеристик. Традиционными методами получения покрытий, в том числе содержащих нанофазы, являются плазмохимические, основанные на вакуумных технологиях, растворные методы, методы с использованием воздушных дисперсий полимерных и олигомерных компонентов. В последнее время пристальное внимание уделяется полимерным и олигомерным композиционным покрытиям толщиной от 0,05 до 3 мкм, которые свойствами отличны от блочных полимеров и тонкопленочных покрытий. Преимуществами та-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

ких тонкопленочных покрытий является возможность сохранения размеров сопрягаемых деталей, минимальный расход полимера или олигомера при синергетическом изменении физико–механических характеристик[1-2]. Для повышения эксплуатационных характеристик полимерных и металлополимерных систем различного назначения особый интерес представляют тонкие пленки фторсодержащих олигомеров и полимеров, обладающие уникальными свойствами. Такие пленки получают из растворов фторсодержащих олигомеров, известных под торговым названием «Эпилам», «Фолеокс». Применение различных энергетических факторов для модифицирования тонкослойных соединений фторсодержащих олигомеров, находящихся на поверхности твердых тел, приводит к образованию композиционных покрытий с улучшенными эксплуатационными характеристиками. В промышленности в качестве конструкционных материалов широко применяются волокна [3-4]. По своей природе их можно классифицировать на металлические и неметаллические, по технологии получения − на природные, искусственные, синтетические, с точки зрения потребителя − повседневного спроса, безопасные, промышленные. Основной отличительной чертой волокон является то, что их длина в сотни раз превосходит их диаметр. Согласно современным представлениям статистической теории прочности малые по диаметру и размеру волокна могут быть отнесены к высокопрочным материалам. Это вытекает из основных положений данной теории [3]: 1) в образцах одного и того же материала, внешне одинаковых, изготовленных в равных условиях, имеются дефекты различной опасности; 2) наиболее опасный дефект определяет прочность образца в однороднонапряженном состоянии; 3) с увеличением объема и поверхности образца увеличивается вероятность присутствия более опасных дефектов. Исходя из данных предпосылок видно, что в малых образцах дефекты больших размеров вообще не могут реализоваться. Поэтому самые низкие уровни прочности тонких коротких волокон наблюдать невозможно [3]. В длинных волокнах высокопрочностные уровни не могут наблюдаться, т.к. они аннигилируются присутствием больших, грубых дефектов. Исходя из вышесказанного видно, чтобы повысить физикомеханические характеристики полимерных волокон, нужно провести модифицирование поверхности, в результате которого происходит залечивание и аннигиляция грубых дефектов [3]. Это может достигаться химической, плазмохимической, радиационной обработкой волокон. В ряде случаев применяется сочетание вышеперечисленных методов [5]. 2. Методика исследований. В качестве основных объектов исследований были выбраны фторсодержащие олигомерные («Фолеокс» и «Эпилам») и полиамидная мононить, в состоянии промышленной поставки производителями (Институт химии синтетического каучука им. Лебедева, РАН, г. Санкт-Петербург и ТОВ "Укрмонофиламент", г. Чернигов, Украина). Олигомеры «Фолеокс» («Эпилам») ФСО представляют собой 1 – 2 мас. % растворы во фреоне активного компонента с молекулярной массой от 2200 до 5000 ед. и структурной формулой Rf-R1, где Rf – фторсодержащий радикал, R1 – функциональная группа (OH, -COOH, -NH2, CF3). Энергетическое модифицирование нанесенных покрытий на волокна осуществляли термической обработкой на воздухе при температуре 373 – 773К, коронным разрядом. Исследования трансформаций молекулярной и надмолекулярной структуры покрытий проводили методами ИК-спектроскопии (МНПВО), ДТА, рентгеноструктурно-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

го анализа по общепринятым методикам. Морфологию покрытий, топографию поверхностного слоя и фазовую структуру оценивали методом атомной силовой микроскопии (АСМ) с использованием программ обработки и визуализации изображений, разработанных ООО «Микротестмашины».Испытания по определению прочностных характеристик модифицированных волокон проводили на разрывной машина ИР 504750 с предельной нагрузкой 50 кН 3. Результаты исследований.

а)

б)

в)

г)

д)

е)

ѐ)

ж)

з)

и)

й)

к)

л)

м)

н)

о)

Рисунок 1. Морфология и фазовый контраст полиамидного волокна, подвергшегося различному виду энергетического воздействия: а, д – исходное; б, е – модифицированное Ф-1; в, ѐ – обработанное коронным разрядом; г, ж – обработанное коронным + Ф-1; з, л – корон.разр.+Ф-1+корон. разр.; и, м – модифицированное Ф-1 и термообработанное на воздухе при 373 К; й, н модифицированное Ф-1 и термообработанное в воде при 373 К; к, о – модифицированное Ф-1+термообработанное на воздухе при 373 К + термообработанное в воде при 373 К. Поле сканирования a, в-д, ѐ-о – 24,8 24,8 мкм; б, е – 13 13 мкм. а-г, з-к – топография поверхности; д-ж, л-о – изображение фазового контраста

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Исследование морфологии волокна полиамида (рис. 1 а, д) показало, что на поверхности полиамидного волокна наблюдается большое количество микротрещин и субмикротрещины, размер которых лежит в пределах от 10 нм до 2-3 мкм. Согласно данных работы [3], в полимерных волокнах субмикротрещины имеют дискообразную форму и расположены как в плоскости поперечного сечения образца, так и в поверхностном слое, толщина поверхностного слоя составляет 2-3 мкм [3]. Принято считать, что субмикротрещины – трещины размером до 100 нм, свыше 100 нм – микротрещины, а свыше 1000 нм – макротрещины. На рис. 2 приведена типичная профилограмма поверхности волокна ПА 6, на которой отчетливо видно большое количество микротрещин и некоторое – макротрещин. Линейные размеры микротрещины лежат в пределах от 528 до 874 нм в ширину и 65 нм в глубину.

Рисунок 2. Профиль полиамидного волокна (длина сканирования 9 мкм) Субмикротрещин на поверхности полиамидного волокна не наблюдалось. Наиболее оптимальной теорией, описывающей механизм зарождения трещин, является теория, основывающаяся на представлениях об отрицательных флуктуациях плотности – дилатонах, которая позволяет утверждать, что микротрещины образуются в слабых местах структуры полимеров потому, что эти места представляют собой области пониженной плотности материала. Данные области являются ловушками для фононов, а, значит, и местами накопления дилатонов, которые после дальнейшей фононной накачки, разрушаясь, превращаются в субмикротрещины [3]. Принято считать, что в ориентированных полимерах дефектность поверхностного слоя не опасна [3], т.к. их прочность определяется объемными свойствами. Однако в случае изучаемых волокон размер показанных трещин по глубине в ряде случаев достигает до 1-2 % от диаметра волокна. Поэтому резко возрастает вероятность того, что данные образования будут являться в первую очередь, местами разрушения волокна. Применение химического модифицирования поверхности полиамидного волокна приводит к увеличению прочностных характеристик волокон путем залечивания микро- и макродефектов поверхности. Нанесение фторсодержащего олигомера марки Ф1 приводит к образованию сглаженного рельефа (Ra = 122 нм). Количество субмикротрещин резко уменьшается (рис. 1 б, е). Нанесение фторсодержащего олигомера марки Ф14 на поверхность полиамидного волокна приводит к образованию специфического рельефа (рис. 3). На поверхности волокна наблюдается образование большого числа наплывов в виде «чешуек», количество субмикротрещин и микротрещин резко уменьшается

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

(рис. 3). Значения среднего арифметического отклонения профиля Ra для волокна, обработанного фолеоксом Ф1составляет Ra = 135 нм (рис. 4).

а)

б)

Рисунок 3. Морфология поверхности полиамидного волокна, модифицированного фолеоксом Ф14: а - топография, б - фазовый контраст

Рисунок 4. Профиль полиамидного волокна, обработанного фолеоксом: a-Ф-1; б-Ф-14 Большое внимание исследователей [3] привлекает влияние внешних факторов на прочностные характеристики волокон. В ряде работ волокна из натурального шелка подвергались кипячению в воде, – облучению на воздухе, – кератиновые волокна подвергались раздельному и совместному воздействию следующих факторов: осветлению в гидропирите, окраске фуксином, пластификации мекразолитом, гамма-облучению различными дозами. Воздействующие факторы были классифицированы на две группы: 1) дестабилизирующие; 2) стабилизирующие. Действие дестабилизирующих факторов приводит к вырождению высокопрочных уровней и появлению новых низкопрочных уровней. Стабилизирующие факторы, воздействуя на волокна, вырождают низкие уровни прочности и приводят к появлению высоких уровней прочности. Влияние внешних факторов на данные волокна сводится при небольших дозах к перераспределению испытанных образцов по уровням прочности без изменения самих уровней. При высоких дозах – облучения происходит смещение самих уровней прочности, и появляются новые [3]. На рис. 5 изображена поверхность полиамидного волокна после воздействия агрессивной среды. Воздействие агрессивной среды приводит к сглаживанию исходного рельефа (рис. 5 а), однако наблюдаются редко расположенные глобулярные объекты средним размером ~ 6 мкм. На фотографии фазового анализа видно снижение значений модуля Юнга [243], однако наблюдаются локальные области, обладающие более высокими прочностными характеристиками, чем в среднем по поверхности. Необходимо отметить, что образование этих областей совпадает с размерами глобулярных образований.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

а)

№ 1(64)’2019

б)

Рисунок 5. Морфология полиамидного волокна после воздействия агрессивной среды: а – морфология, б – фазовый контраст (поле сканирования 24,7 x 13,0 мкм) Исходя из полученных результатов, можно предположить, что при воздействии агрессивной среды происходит растворение аморфной составляющей полиамидного волокна, которая играет роль своеобразного связующего между кристаллическими частями полимера (рис. 5 а, б). Предварительная обработка полиамидного волокна коронным разрядом приводит к возрастанию значений высотной характеристики cRa = 134,3 нм до Ra = 150 нм. Наблюдается вырождение субмикротрещин (рис.1 в, ѐ), увеличивается количество и размеры макротрещин. Это связано с тем, что под действием коронного разряда (КР) происходит разрушение субмикровыступов, возможна также их миграция по поверхности и слияние между собой с последующим образованием макротрещин. Размеры макротрещин достигают до 1,6 – 1,9 мкм в поперечном сечении, 400 – 700 нм – в глубину. Нанесение фторсодержащего олигомера Ф1 на поверхность полиамидного волокна, активированную коронным разрядом, сглаживает исходный рельеф, значение высотной характеристики уменьшается до Ra = 138 нм. Исходя из данных фазового контраста, модифицированное по такой технологии волокно обладает высокими значениями модуля упругости.

а) б) Рисунок 6. Профиль сечения полиамидного волокна, обработанного коронным разрядом. Размер профиля сечения: а – 6 мкм, б – 5 мкм Наблюдается (рис. 1 г, ж) большое количество образований с большим модулем упругости, чем в среднем по поверхности образца. По всей видимости, эти объекты образовались в результате процесса кристаллизации, происходящего в пленке фторсодержащего олигомера. В роли центров кристаллизации в покрытии из фторсодержащего олигомера могут выступать микродефекты поверхности [4-5], например, разнообразные трещины, выступы, фрагменты молекул, дислокации и т.п. Обработка коронным разрядом полиамидного волокна, модифицированного Ф1, приводит к возрастанию высотной характеристики микрорельефа по сравнению с необработанным – Ra = 148,8 нм (рис.1 з, л). Это связанно с тем, что воздействие коронного разряда привело к

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

образованию на поверхности модифицированного волокна микродефектов в виде раковин, латеральный размер которых равен 3 – 6,7 мкм. На снимке фазового контраста поверхность сканирования имеет одинаковую цветовую интенсивность, что означает равномерное распределение физико-механических характеристик по поверхности волокна, только по краям раковин (рис. 1 з, л) наблюдаются области с незначительным локальным упрочнением. Термообработка модифицированного волокна при температуре Т = 373 К приводит к заметному сглаживанию морфологии поверхности (рис.1 и, м). Это вызвано миграцией молекул олигомера по поверхности полиамидного волокна [3-5], молекулы фолеокса под воздействием температуры перемещаются с вершин микрошероховатостей к их основанию. Данные вершины приобретают заостренный вид (рис.1 и, м), увеличивается значение высотной характеристики до Ra = 141,0 нм. Анализ снимка фазового контраста свидетельствует о том, что на поверхности полиамидного волокна не наблюдается объектов с повышенными значениями модуля упругости, чем в среднем по поверхности волокна. Это подтверждается данными фазового контраста (рис.1 м), в любой точке образца модуль упругости имеет приблизительно одинаковое значение. Термообработка полиамидного волокна, модифицированного Ф1 при Т = 373 К в водной среде, приводит к образованию на поверхности множества мелких глобулярных образований (рис. 1 й, н), латеральный размер которых равен 1,2 1,4 мкм. Значение высотной характеристики при этом возрастает Ra = 166,7 нм. Снимок фазового контраста свидетельствует о том, что данные образования имеют зернистую структуру (рисунок 1 н), между которыми видна ярко выраженная граница с пониженным значением модуля Юнга. Если волокно, модифицированное Ф1, предварительно термообработать на воздухе при Т = 373 К, а потом подвергнуть воздействию агрессивной среды, то на поверхности данного волокна мы не увидим, как в предыдущем случае, мелкой зернистой структуры (рис. 1 к, о). Морфология покрытия в большей степени имеет сглаженный рельеф, хотя наблюдаются некоторые «большие» глобулоподобные образования со средним размером 4 мкм (рис. 1 к). Данные образования находятся как бы внутри микротрещины, это хорошо видно на снимке фазового контраста (рис.1 о). На рисунке отчетливо видно границу, проходящую вдоль скопления глобулоподобных образований. На основе полученных снимков морфологии поверхности модифицированного полиамидного волокна были построены угловые распределения, гистограммы и опорные кривые, анализ которых дает более точное понимание процессов, происходящих в шероховатом слое волокна при его химическом и энергетическом модифицировании. Согласно данных атомной силовой микроскопии, дефекты, находящиеся на поверхности полиамидного волокна, текстурированы перпендикулярно оси вытяжки полиамидной стренги. Большая часть материала шероховатого слоя находится в области средней линии и линии выступов. Обработка поверхности волокна коронным разрядом уменьшает значение функции распределения по углам дефектов на поверхности волокна, увеличивается количество материала в области линии впадин, уменьшается количество материала в области выступов, что свидетельствует об образовании макротрещин и увеличении количества дефектов на поверхности волокна. Нанесение фторсодержащих олигомеров на поверхность исходного волокна уменьшает значение функции распределения по углам, в сравнении с исходной подложкой. Т.к. дефекты являются активными центрами на поверхности полиамидного материала, они оказывают ориентирующее воздействие на молекулы фторсодержащего

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

олигомера, которые, ориентируясь, закрывают исходные дефекты и формируют собственную текстурированную структуру (рис. 7). Большая часть материала в шероховатом слое концентрируется в области средней линии, что свидетельствует об образовании сглаженного однородного покрытия на поверхности волокна (рис. 7).

а)

б) Рисунок 7. Угловое распределение, гистограмма и опорная кривая полиамидного волокна, модифицированного Ф1: а − без термообработки; б − после термообработки на воздухе при Т = 373 К Проведение термообработки волокна, обработанного фторсодержащим олигомером, приводит к увеличению значений функции углового распределения, увеличивается количество материала в области линии впадин, что свидетельствует о миграции молекул к устьям макро- и микротрещин (рис. 7). Различные варианты энергетического и химического модифицирования волокна, такие, как обработка коронным разрядом с последующей обработкой волокна фторсодержащими олигомерами или обработка волокна ФСО и прививка молекул фторорганических соединений на поверхности волокна, оказывают неадекватное влияние на распределение материала в шероховатом слое и ориентацию молекул ФСО на поверхности волокна. В первом случае основное количество материала сконцентрировано в области линии впадин, разориентация молекул относительно оси текстуры незначительна. Во втором случае основное количество материала в шероховатом слое концентрируется в области средней линии (рис. 8). Воздействие коронного разряда на молекулы фторсодержащего олигомера приводит к увеличению значений функции углового распределения, что свидетельствует об уменьшении текстурированности в покрытии фторсодержащих олигомеров на поверхности волокна в сравнении с покрытием ФСО, не подвергнутого воздействию коронного разряда.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

а)

б) Рисунок 8. Угловое распределение, гистограмма и опорная кривая полиамидного волокна: а – обработанного коронным разрядом и модифицированного Ф1, б – модифицированного Ф1 с последующей обработкой в коронном разряде Агрессивная среда оказывает разориентирующее влияние на молекулы ФСО в покрытии. Предварительная термообработка покрытия ФСО снижает действие агрессивной среды.Нанесение неполярного фолеокса Ф14, как и в случае обработки металлов, не закрывает полностью обрабатываемую поверхность, происходит частичное осаждение фолеокса на различных участках волокна. Таблица 1. – Зависимость предела прочности при растяжении модифицированного волокна Марка фолеокса Предел прочности при растяжении σпр, МПа σпр, МПа (после обработки в агрессивной среде) σпр, МПа ( обработка волокна коронным разрядом) σпр, МПа ( обработка волокна коронным разрядом, с последующей термообработкой фторсодержащего покрытия при Т=373К в течение 60 минут ) σпр, МПа ( обработка волокна коронным разрядом, с последующей обработкой фторсодержащего покрытия коронным разрядом)

н/о

Ф1

Ф14

ФАК2

17,5

19,4

19,9

19,1

8,9

19,1

12,1

11,2

16,8

24,2

21,3

22,4

16,8

30,1

23,1

27,6

16,8

26,4

22,7

23,8

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

При воздействии агрессивной среды на волокно, модифицированное фолеоксом Ф14, наблюдается образование глобулярных образований средним размером ~ 6 мкм. Однако, как показывают снимки фазового контраста, на поверхности модифицированного волокна не наблюдается областей с высокими прочностными характеристиками. В таблице 1 приведены значения предела прочности нити, обработанной различными видами фолеокса, в том числе после воздействия агрессивной среды. Нанесение покрытий из фторсодержащих олигомеров существенно не изменяет прочностных характеристик волокна. Однако фторсодержащие олигомеры эффективно защищают нить от воздействий агрессивной среды (таблица 1). Заключение. Таким образом, исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие выводы: фторсодержащие олигомеры в зависимости от строения оказывают различное защитное действие на полиамидные волокна; покрытия, образованные из полярных фторсодержащих олигомеров, оказывают более эффективное защитное действие, чем неполярные олигомеры. Различие в морфологии поверхности существенным образом сказывается на прочностных свойствах волокон. Воздействие факторов существенно изменяет морфологию тонкопленочных покрытий, интенсифицируя процессы кристаллизации в покрытиях. ЛИТЕРАТУРА 1. Металлополимерные нанокомпозиты: особенности структуры, технология, применение / А. А. Рыскулов, С. В. Авдейчик, М. В. Ищенко, Е. В. Овчинников. Под научн. ред. В. А. Струка, В. А. Лиопо. – Гродно: ГГАУ, 2010. – 335 с. – ISBN978-9856784-73-9. 2. Овчинников, Е. В. Тонкие пленки фторсодержащих олигомеров: основы синтеза, свойства и применение / Е. В. Овчинников, В. А. Струк, В. А. Губанов. – Гродно: ГГАУ, 2007. – 326 с. – ISBN 978-985-6784-32-6. 3. Цой, Б. Прочность и разрушение полимерных пленок и волокон [Текст] / Б. Цой, Э. М. Карташов, В. В. Шевелев. - М.: Химия, 1999. − 496 с. – ISBN5-7245-1132-0. 4. Овчинников, Е. В. Морфология тонкослойных покрытий на полимерных волокнах [Текст] / Е. В. Овчинников, В. А. Струк, Д. И. Федоров // VI Белорусский семинар по сканирующей зондовой микроскопии: cб. докладов, Гомель, 24-25 окт. 2000. / ИММС НАНБ; редкол.: Ю. М. Плескачевский [и др.]. – Гомель, 2000. – С. 91-95. 5. Овчинников, Е. В. Структурные особенности формирования тонкопленочных покрытий при воздействии технологических факторов / Е. В. Овчинников // Горная механика и машиностроение. – 2018 – №2 – С.89 – 97. 6. Структурные особенности и свойства тонких пленок фторсодержащих олигомеров [Текст] /А. В. Рогачев, В. А. Струк, Е. В. Овчинников, Ю. С. Бойко // Материалы. Технологии, Инструменты. – 1998. – № 3. – C. 32-36. Поступила в редколлегию 31.01.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

УДК 621.438 1

А. П. Пичко, аспирант, 2 Д. А. Михайлов, канд. техн. наук, доцент, 2 Е. А. Шейко, канд. техн. наук, доцент, 3 Т. В. Хавлин, аспирант, 2 А. А. Колодяжный, аспирант, 1 В. А. Михайлов, аспирант, 1 А. Н. Михайлов, д-р техн. наук, профессор 1 ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», г. Донецк, ДНР 2 ГОУВПО «Донецкая академия гражданской защиты», г. Донецк, ДНР 3 ГООВПО «Донецкая академия внутренних дел», г. Донецк, ДНР Тел.: +38 071 3060879; E-mail: mntk21@mail.ru ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА И ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ НА БАЗЕ ФУНКЦИОНАЛЬНООРИЕНТИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ И РАВЕНСТВА ИХ РЕСУРСОВ В статье рассмотрены вопросы, связанные с особенностями обеспечения свойств лопаток компрессора и турбины газотурбинной установки на базе функционально-ориентированных покрытий и принципа равенства их ресурсов. В работе показано, что на лопатки компрессора и лопатки турбины в процессе их эксплуатации действуют принципиально различные эксплуатационные воздействия. При этом показано, что ресурс этих лопаток необходимо выполнять из условий равенства или кратности ресурсов лопаток компрессора и лопаток турбины. Это планируется выполнять на базе функционально-ориентированных покрытий. Представлена классификация покрытий лопаток компрессора и лопаток турбины, а также показаны гипотетические схемы структуры покрытий. В работе представлены выражения для определения параметров функционально-ориентированных покрытий лопаток компрессора и лопаток турбины. Ключевые слова: газотурбинная установка, лопатки компрессора и турбины, принцип равенства ресурса лопаток, функционально-ориентированные покрытия.

A. P. Pichko, D. A. Mikhaylov, E. A. Sheyko, T. V. Khavlin, A. A. Kolodyazhniy, V. A. Mikhaylov, A. N. Mikhaylov The article discusses issues related to the peculiarities of ensuring the properties of the compressor blades and the turbine of a gas turbine unit based on function-oriented coatings and the principle of equality of their resources. It is shown in work that the compressor blades and turbine blades in the process of their operation are fundamentally different operational effects. It is shown that the resource of these blades must be performed from the conditions of equality or multiplicity of resources of the compressor blades and turbine blades. This is planned to be performed on the basis of function-oriented coatings. A classification of coatings for compressor blades and turbine blades is presented, and hypothetical schemes of coating structures are shown. The paper presents expressions for determining the parameters of functionally-oriented coatings of compressor blades and turbine blades. Keywords: gas turbine unit, compressor and turbine blades, principle of equal resource of blades, functionoriented coatings.

1. Введение В настоящее время в нефтегазовой промышленности широко используются газотурбинные установки (ГТУ) для решения технологических и вспомогательных задач производства. При этом одними из основных подсистем ГТУ являются компрессор и турбина, в которых смонтирован целый комплекс лопаток компрессора (рис. 1) и лопаток турбины (рис. 2). Общее количество лопаток в ГТУ может достигать более трех с половиной тысяч лопаток [1, 2, 3].

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Одним из перспективных вариантов повышения ресурса лопаток турбокомпрессора, в целом, и обеспечения равенства ресурсов лопаток компрессора и турбины является применение специальных покрытий [4, 5, 6]. При этом для лопаток компрессора должен применяться свой комплекс покрытий, а для лопаток турбины другой комплекс покрытий, в зависимости от действия эксплуатационных функций [7]. Это обусловлено тем, что лопатки компрессора и лопатки турбины эксплуатируются в принципиально различных условиях. Вместе с тем, за счет применения различных комплексов покрытий (модулей покрытий) для лопаток компрессора и лопаток турбины обеспечивается возможность выравнивания ресурсов этих групп лопаток турбокомпрессора, а также их повышения в условиях действия различных эксплуРисунок 1. Общий вид лопаток компрессора атационных функций. При этом обесс нитрид титановым покрытием печивается возможность управления (регулирования) свойствами одних лопаток относительно других по принципу равенства или кратности ресурсов различных групп лопаток турбокомпрессора. Покрытия лопаток компрессора должны решать вопросы исключения процессов действия абразивноэрозионного износа поверхностного слоя лопатки [8, 9, 10]. Эти воздействия в основном преобладают на лопатках компрессора. В процессе эксплуатации газотурбинной установки на лопатки турбины действуют абразивноэрозионные функции и температурные воздействия. Поэтому покрытия лопаток турбины должны как минимум защищать единовременно от действия абразивно-эрозионных и температурных воздействий. Для решения этих Рисунок 2. Общий вид лопаток турбины вопросов покрытие должно быть комплексным: первый модуль - температурно-защитное жаростойкое покрытие; второй модуль – абразивно-эрозионное жаростойкое покрытие. Между основным материалом лопатки и первым модулем покрытия,

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

а также между различными модулями покрытия наносятся модули связующих покрытий. Можно отметить, что в настоящее время разработаны, и общий подход, и основные особенности для реализации функционально-ориентированных свойств на базе функционально-ориентированных покрытий (ФОП) лопаток компрессора [8] и лопаток турбины [11]. При этом не установлены основные связи между параметрами этих покрытий для лопаток компрессора и лопаток турбины для выравнивания их ресурса при эксплуатации ГТУ. Поэтому в данной работе основными результатами будут исследования по обеспечению выравнивания ресурса лопаток компрессора и лопаток турбины, в условиях действия на них эксплуатационных функций, за счет применения функционально-ориентированных покрытий [8, 9, 11]. Целью работы является повышение ресурса лопаток компрессора и лопаток турбины ГТУ за счет обеспечения равного или кратного их ресурса на основе применения ФОП. В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи: выполнить анализ общих особенностей в обеспечении свойств лопаток компрессора и турбины; представить гипотетическую схему структуры покрытий лопатки компрессора и турбины для реализации ФОП; установить основные связи между параметрами покрытий лопаток и компрессора, из условия равенства или кратности их ресурсов. Эти задачи решаются в данной работе. 2. Общие особенности в обеспечении свойств лопаток Можно отметить, что для лопаток компрессора целесообразны вакуумные ионно-плазменные покрытия. Для нанесения этих покрытий используется метод конденсации в вакууме на поверхности лопаток турбокомпрессора вещества, получаемого из плазменной фазы посредством плазмо-химических процессов с дополнительной ионной бомбардировкой. Этот процесс называется метод КИБ (конденсация и ионная бомбардировка) [4]. Данный метод обеспечивает возможность нанесения высокопрочных и износостойких покрытий на лопатки компрессора Этот метод основан на том, что в плазменном потоке металла, формируемом при помощи вакуумной дуги и ускоряющегося за счет подачи отрицательного потенциала к лопаткам компрессора, происходят плазмо-химические процессы с реактивным газом. Этим методом можно наносить покрытия на основе нитридов, карбидов, карбонитридов, оксидов и других соединений металлов IV-VI групп Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Главным при нанесении покрытий данным методом является то, что обеспечивается возможность проведения ионной очистки поверхности путем ионной бомбардировки ускоренными ионами распыленного вещества. Это создает условия для высокой адгезии покрытия с материалом поверхности лопатки (подложки). При высоком отрицательном потенциале подложки (1,0 … 1,1 кВ и выше) распыляется не только осаждаемый материал катода, но и частично поверхностный слой подложки (лопатки). Это обеспечивает ионное травление подложки и очистку поверхности. При этом ускоренные ионы катода внедряются в подложку и насыщают тонкий поверхностный слой подложки и обеспечивается надежная адгезия покрытия к подложке. Для лопаток турбины необходимо наносить покрытия двух видов: - температурно-защитное жаростойкое покрытие (метод газового или детонационно-газового напыления или другие методы; напыляемое покрытие – керамика, композитное или композиционное покрытие);

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

- абразивно-эрозионно-жаростойкое покрытие (метод газового или детонационно-газового напыления покрытия или другие методы; напыляемое покрытие – керамика, композитное или композиционное покрытие). Особенно важным для лопаток компрессора и лопаток турбины, эксплуатирующихся в принципиально различных условиях, является обеспечение свойств их покрытий (физико-механические свойства, толщина покрытия, количество слоев в модуле покрытия и т.п.) из условия равенства или кратности ресурсов. Решение этих вопросов можно выполнять на базе применения ФОП [6, …, 11]. На рис. 3 представлена классификация покрытий лопаток турбокомпрессора и связи между параметрами покрытий компрессора и турбины. Здесь показано, что свойства покрытий должны быть ориентированы как на лопатки компрессора, так и лопатки турбины в отдельности, в зависимости от особенностей их эксплуатации. Вместе с тем,

Рисунок 3. Классификация покрытий лопаток турбокомпрессора и связи между параметрами покрытий компрессора и турбины эти свойства f покрытий лопаток турбокомпрессора должны иметь связи С K f (C T ) , где СK – свойства покрытий лопаток компрессора, СK – свойства покрытий лопаток турбины. На рис. 4 представлены гипотетические схемы структуры покрытий для лопаток компрессора и лопаток турбины. Здесь показано: на рис. 4, а – структура покрытий лопатки компрессора; на рис. 4, б – структура покрытий лопатки турбины. Покрытия лопаток формируется в соответствии с особенностями эксплуатации лопаток. В турбокомпрессоре лопатки компрессора и лопатки турбины эксплуатируются в принципиально различных условиях, поэтому на рис. 4 структура покрытий лопаток неодинакова, она определяется особенностями эксплуатации этих групп лопаток.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Анализируя структуру покрытия лопатки компрессора (рис. 4, а) можно отметить, что она определяется в основном особенностями абразивно-эрозионного износа. Для исключения этого процесса необходимо абразивно-эрозионно-стойкого покрытия.

Рис. 4. Гипотетические схемы структуры покрытий: а) – лопатки компрессора; б) лопатки турбины. Однако для реализации этого вида покрытия необходимы дополнительные покрытия (технологические покрытия) – связующие покрытия, обеспечивающие связи между предлагаемым покрытием и основным материалом лопатки, которое может быть реализовано с использованием модуля покрытий. На рис. 4, а показана структура покрытия лопатки компрессора 1: М С11 - модуль связующих покрытий 2; М R12 - модуль абразивно-эрозионно-стойких покрытий 3. Модуль М R12 абразивно-эрозионно-стойкого покрытия решает вопросы защиты лопатки от абразивно-эрозионного износа, а модуль М С11 связывает модуль покрытия М R12 с основным материалом лопатки. Представленная структура покрытий позволяет обеспечивать не только снижение износа покрытия, но и адгезионную стойкость всего покрытия. Следует отметить, что структура покрытий лопатки компрессора дополнительно формируется в соответствии с принципами реализации ФОП и формируется ФОП 1. Если покрытие лопатки компрессора формируется на базе ионно-плазменных покрытий, то толщина модуля покрытия М С11 составляет 0,25 … 0,75 мкм, а толщина модуля покрытия М R12 рекомендуется в пределах 5,5 … 12,0 мкм.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Лопатки турбины 1 эксплуатируются в принципиально отличных условий по сравнению с лопатками компрессора. При этом покрытия лопатки турбины 1 имеет следующую структуру (рис. 4, б): - М С 21 - первый модуль связующих покрытий 2, общая его толщина обычно составляет 0,25 … 0,75 мкм, этот модуль связывает основной материал лопатки с температура-защитным жаростойким покрытием; - М T 22 - модуль температура-защитных жаростойких покрытий 3, общая его толщина обычно составляет 300 … 400 мкм, данный модуль покрытий снижает проникновение температуры к основному материалу лопатки из условия

0,8 ...1,5 0С / мкм ; - М С 23 - второй модуль связующих покрытий 4, общая его толщина обычно составляет 0,25 … 0,75 мкм, этот модуль связывает температура-защитное жаростойкое покрытие с абразива-эрозионно-жаростойким покрытием; - М R 24 - модуль абразива-эрозионно-жаростойких покрытий 5, общая его толщина рекомендуется в пределах 8,0 … 20,0 мкм. Можно отметить, что первый М С 21 и второй М С 23 модули связующих покрытий связывают основной материал лопатки с модулем М T 22 температура-защитного жаростойкого покрытия и модуль М T 22 температура-защитного-жаростойкого покрытия с модулем М R 24 абразива-эрозионно-жаростойкого покрытия. Вместе с тем, можно заметить, что ресурс всего покрытий лопаток турбины определяется интенсивностью износа модуля М R 24 абразива-эрозионно-жаростойкого покрытия. Это обусловлено тем, что при износе и разрушении этого модуля покрытий происходит катастрофическое разрушение следующих модулей покрытий. Это недопустимо - особенно для модуля покрытия М T 22 температура-защитного жаростойкого покрытия. При уменьшении толщины этого модуля покрытия М T 22 резко повышается температура на основном материале лопатки и происходит катастрофическое разрушение лопатки турбины. Для напыления представленной структуры покрытия (рис. 4, б) могут, использованы методы газового или детонационно-газового напыления покрытий [5]. Комплексное повышение работоспособности (ресурса) групп лопаток турбокомпрессора предусматривает совместное обеспечение заданного ресурса лопаток компрессора и лопаток турбины. В работе предусматривается решение вопроса повышения ресурса лопаток на базе функционально-ориентированного подхода. При этом общий подход комплексного повышения работоспособности формируется на следующих основных принципах: 1. Функционально-ориентированные свойства [5] лопаток компрессора формируются на базе особенностей действия эксплуатационных функций в компрессоре, функционально-ориентированные свойства лопаток турбины обеспечиваются на основе особенностей действия эксплуатационных функций в турбине. 2. Функционально-ориентированные свойства лопаток компрессора создаются посредством технологических воздействий, зависящих от действия эксплуатационных функций в компрессоре, а функционально-ориентированные свойства лопаток турбины создаются посредство технологических воздействий, зависящих от действия эксплуатационных функций в турбине.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

3. Между эксплуатационными функциями, функционально-ориентированными свойствами и технологическими воздействиями групп лопаток компрессора и турбины действуют связи [5]. 4. Функционально-ориентированные свойства лопаток компрессора и лопаток турбины должны базироваться на комплексном подходе, связывающем их свойства на основе следующих закономерностей: R1 R 2 (1) или k1 R1 k 2 R2 , (2) где R1 и R2 – ресурс лопаток компрессора и турбины, соответственно; k1 и k2 – коэффициент кратности ресурса лопаток компрессора и турбины, соответственно. 5. Обеспечение равного ресурса лопаток компрессора и турбины должно выполняться из условия повышения ресурса группы лопаток с меньшим ресурсом до значения ресурса группы лопаток с большим ресурсом, имеющим предельные значения ресурса. На основе представленных принципов в работе выполняется комплексное обеспечение в повышении ресурса лопаток турбокомпрессора. 3. Основные связи между параметрами покрытий лопаток компрессора и лопаток турбины Можно отметить, что в данной работе функционально-ориентированные свойства лопаток компрессора обеспечиваются на базе ФОП. Следует отметить, что для выполнения условий (1) и (2) между свойствами модулей М R12 и М R 24 должны действовать определенные связи и закономерности. Например, если ресурс лопаток определяется толщиной покрытий, то в этом случае существуют следующие закономерности: - при выполнении условия (1) H R12 H R 24 , (3) R12

R 24

- при выполнении условия (2) k1

H R12

R12

H R 24

;

(4)

R 24

где H R12 - толщина абразивно-эрозионно-стойкого покрытия лопатки компрессора; H R 24 - толщина абразивно-эрозионно-жаростойкого покрытия лопатки турбины; R12 - интенсивность разрушения покрытия лопатки компрессора; R 24 - интенсивность разрушения покрытия лопатки турбины. Учитывая выражения (3) и (4) закономерности свойств покрытий лопаток компрессора и турбины по своей толщине можно представить следующим образом: - при выполнении условия (1) H R12

R12 R 24

- при выполнении условия (2)

H R 24 ,

(5)

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

k 2 R12 H R 24 . (6) k1 R 24 В случае, если абразивно-эрозионно-стойкие покрытия многослойные, выражения (5) и (6) будут иметь следующий вид: - при выполнении условия (1) H R12

R12

hR12i

hR 24 j ,

(7)

hR 24 j ;

(8)

R 24 j 1

i 1

- при выполнении условия (2) n1

hR12i

i 1

k2 k1

R12

R 24 j 1

где hR12i - толщина i – го слоя покрытия лопатки компрессора; hR24 j - толщина j – го слоя покрытия лопат n1 - количество слоев покрытия лопатки компрессора; n 2 - количество слоев покрытия лопатки турбины. Если толщины покрытий слоев hR121 hR122

лопатки компрессора и hR241 hR242  hR24 j  hR24n2 (7) и (8) будут иметь следующий вид: - при выполнении условия (1) h R12

 hR12i  hR12n1 hR12 толщины покрытий слоев hR24 лопатки турбины равны, то выражения

n2 h R 24 , R 24 n1 R12

(9)

- при выполнении условия (2) k 2 R12 n 2 h R 24 . (10) k1 R 24 n1 Можно отметить, что выражения (3), …, (10) устанавливают связи между параметрами покрытий лопаток компрессора и лопаток турбины из условия обеспечения равенства или кратности их ресурсов. Это условие для лопаток компрессора и лопаток турбины выполняется на бузе ФОП. h R12

4. Заключение Таким образом, проведенные в данной работе исследования позволили решить следующее: - выполнить анализ общих особенностей в обеспечении свойств лопаток компрессора и турбины, при этом установить то, что они эксплуатируются в различных условиях, при действии принципиально различных эксплуатационных функций; - установить, что для повышения ресурса лопаток целесообразно использовать ФОП, основные положения, реализации которых представлены в работах [8, …, 11]; - для дальнейшего повышения ресурса лопаток, увеличения их эксплуатационного потенциала и повышения ремонтопригодности лопаток компрессора и турбины в работе установлены связи и основные закономерности между параметрами их покрытий, из условия равенства или кратности их ресурсов;

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

- в работе представлена гипотетическая схема структуры покрытий лопатки компрессора и турбины для реализации ФОП, при этом разработаны структурные варианты состава ФОП для лопаток компрессора и лопаток турбины. ЛИТЕРАТУРА: 1. Демин, Ф. И. Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей: Учеб. пособие. / Ф. И. Демин, Н. Д. Проничев, И. Л. Шитарев – М.: Машиностроение, 2002. – 328 с. 2. Полетаев, В. А. Технология автоматизированного производства лопаток газотурбинных двигателей / В. А. Полетаев. – М.: Машиностроение, 2006. – 256 с. 3. Авиаинформ [Текст] / Ежемесячный информационно-аналитический журнал. – М.: Международная ассоциация «Союз авиационного двигателестроения», 2016. Вып. № 3 (144). – 162 с. 4. Внуков, Ю. Н. Нанесение износостойких покрытий на быстрорежущий инструмент / Ю.Н. Внуков [и др.] – К.: Тэхника, 1992. – 143 с. 5. Михайлов, А. Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий / А. Н. Михайлов. – Донецк: ДонНТУ, 2009. – 346 с. 6. Михайлов, А. Н. Основы проектирования функционально-ориентированных технологий машиностроения и перспективы их развития / А. Н. Михайлов, Н. А. Данияров, О. Т. Балабаев. - Караганда: КарГТУ, 2018. – 169 с. 7. Пичко, А. П. Эксплуатационные особенности газотурбинных установок нефтегазовой промышленности и общий подход в повышении их свойств / А. П. Пичко [и др.] // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонНТУ, 2018. – Вып. 3 (62). – С. 47 - 54. 8. Михайлов, Д. А. Общий подход в обеспечении функциональноориентированных свойств лопаток компрессора ГТД на базе принципа единовременного полного износа покрытия / Д. А. Михайлов, А. В. Хандожко, Е. А. Шейко, А. Н. Михайлов // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонНТУ, 2015. Вып. 4 (50). – С. 132 - 139. 9. Михайлов, В. А., Общие основы и принципы повышения ресурса газотурбинных двигателей на базе функционально-ориентированного подхода / В. А. Михайлов [и др.] // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонНТУ, 2017. – Вып. 3 (58). – С. 32 - 43. 10. Михайлов, В. А. Комплексное повышение ресурса всех групп лопаток компрессора турбовального ГТД на основе функционально-ориентированного подхода / В. А. Михайлов, А. Н. Михайлов, А. В. Байков // Наукоемкие технологии в машиностроении. – Брянск: ФГБО ВО «БГТУ», 2017. – № 9. – С. 42-48. 11. Хавлин, Т. В. Структурно-технологическое обеспечение функциональноориентированной технологии применяемой для повышения качества лопаток турбины авиационного газотурбинного двигателя / Т. В. Хавлин, А. Н. Михайлов, Д. А. Михайлов, В. А. Михайлов // Машиностроение и техносфера XXI века. Сборник трудов XXV международной научно-технической конференции в г. Севастополе 10-16 сентября 2018 г. В 2-х томах. – Донецк: ДонНТУ, 2018. – Т. 2. – С. 188-192. Поступила в редколлегию 11.02.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

УДК 621.9.047 С. Ю. Съянов, канд. техн. наук, доцент Брянский государственный технический университет, Брянск, Россия Тел./ Факс: (4832) 588285; E-mail: serg620@yandex.ru ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ Представлена научно обоснованная методика разработки технологических процессов электроэрозионной обработки с учетом требований к качеству поверхностного слоя и производительности процесса. Приведены теоретические и экспериментальные зависимости, связывающие параметры качества поверхностного слоя деталей, производительность и износ электрода-инструмента с технологическими параметрами электроэрозионной обработки. Ключевые слова: технологический процесс, электроэрозионная обработка, качество поверхностного слоя, производительность процесса, износ электрода-инструмента. S. Yu. Syanov DESIGNING THE TECHNOLOGICAL PROCESS OF ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING Presented a scientifically based methodology for the design of technological processes electrical discharge machining taking into account the quality requirements of the surface layer and process performance. Theoretical and experimental dependence between the parameters of surface layer quality of the parts, the performance and wear of the electrode tool with process parameters of electrical discharge machining. Keywords: technological process, electrical discharge machining, surface layer quality, process performance, wear of the electrode tool.

1. Введение Электроэрозионная обработка (ЭЭО) - один из прогрессивных и экономически выгодных методов обработки материалов в машиностроении. Процесс формирования поверхностей деталей при ЭЭО осуществляется наиболее прогрессивным методом по сравнению с процессами механической обработки материалов резанием. ЭЭО позволяет проводить обработку как электропроводящих, так и неэлектропроводящих материалов независимо от их физико-механических свойств, формы и расположения поверхностей обрабатываемых деталей, что выгодно отличает ее от механической обработки резанием, в особенности при обработке труднообрабатываемых материалов. Несмотря на положительные технические, технологические и экономические показатели, ЭЭО имеет свои области применения и недостатки из-за своей физической природы. Основной недостаток ЭЭО - высокая энергоемкость по сравнению с обработкой резанием при изготовлении деталей простой формы из конструкционных материалов при одинаковых условиях обработки (производительности и качестве поверхностного слоя). ЭЭО экономически выгодно применять при обработке изделий сложной пространственной формы и из труднообрабатываемых материалов, а также в тех случаях, когда поверхности достаточно сложно изготовить другими методами обработки. Таким образом, ЭЭО имеет ряд существенных преимуществ, которые расширяют область практического применения данного метода обработки при производстве различных изделий машиностроения.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Процессы, протекающие при ЭЭО, подробно изучены, выявлено влияние технологических режимов обработки на качество поверхностного слоя, точность, износ электрода-инструмента и производительность процесса [1; 4; 5]. Однако четких последовательных методов разработки технологических процессов ЭЭО до сих пор не существует. Решение этой проблемы и является целью данной работы. 2. Разработка технологического процесса электроэрозионной обработки Задача, которая решается при разработке технологического процесса, - определение оптимальных параметров ЭЭО, обеспечивающих минимальные затраты и максимальную производительность при требуемом качестве поверхностного слоя детали. Эту задачу в общем случае можно решить путем разбиения общего припуска на операционные и определения оптимальных параметров для каждой операции ЭЭО. Исходными данными для проектирования технологического процесса ЭЭО являются материал детали, геометрические характеристики обрабатываемой поверхности, припуск на обработку, геометрические и физико-механические параметры качества поверхностного слоя детали, точность обработки, допустимый износ электродаинструмента и требуемая производительность процесса. При обработке поверхностей электроэрозионным методом технологический процесс можно разбить на следующие операции (или переходы): предварительная, получистовая и окончательная. Предварительная операция необходима для удаления основной части припуска за минимальное время при минимальном износе инструмента. Получистовая операция проводится для получения заданной точности и уменьшения высоты неровностей поверхности и толщины измененного слоя. Окончательная обработка выполняется для получения заданных геометрических и физико-механических параметров качества поверхностного слоя за минимальное время. На протекание и результаты процесса ЭЭО оказывают влияние следующие факторы: полярность импульсов и материал электродов, электрические и временные параметры импульсов напряжения и тока, подводимых к электродам (форма, частота, скважность, амплитуда и т.д.), конструктивные особенности электродов и характеристики рабочей жидкости. Для разработки технологического процесса и алгоритма обработки представим взаимосвязь исходных данных и параметров ЭЭО с качеством поверхностного слоя, производительностью и износом инструмента, исходя из теоретико-экспериментальных зависимостей, описывающих процесс ЭЭО [1; 2; 3; 5] (таблица 1). В результате исследований [1 - 5] получены теоретические и экспериментальные зависимости, позволяющие определить режимы обработки в зависимости от качества поверхностного слоя детали, производительности обработки и допустимого износа электрода-инструмента, что позволяет спроектировать технологический процесс ЭЭО. Исходя из данных таблицы 1 разработка технологического процесса (операции) ЭЭО детали в общем случае осуществляется в следующей последовательности: 1. Разработка маршрута обработки. 1.1. Определение количества операций (переходов). 1.2. Разбиение общего припуска на операционные. 1.3. Определение требований к точности и шероховатости обрабатываемых поверхностей для каждой операции (перехода) ЭЭО. 2. Разработка операций технологического процесса ЭЭО.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Энергия импульсов

Свойства обрабатываемого материала

Свойства материала электрода-инструмента

Свойства диэлектрической жидкости

Исходная волнистость инструмента

Исходная волнистость детали

Rmax

(+*)

(+)

SmW

(+)

Нmax

H0

h0

0



Параметры шероховатости Параметры волнистости

Геометрические характеристики обрабатываемой поверхности

Условия обработки

Параметры физикомеханических свойств поверхностного слоя Износ электродаинструмента Производительность процесса

Исходное макроотклонение детали Исходное макроотклонение инструмента

Таблица 1. - Взаимосвязь исходных данных и параметров ЭЭО с качеством поверхностного слоя, производительностью и износом инструмента

Примечания: 1. Знак «+» обозначает, что увеличение (или уменьшение) данного условия обработки способствует увеличению определенного параметра качества поверхности. 2. Знак «-» обозначает, что увеличение (или уменьшение) данного условия обработки способствует уменьшению определенного параметра качества поверхности. 3. Знак «0» обозначает, что изменение данного условия обработки не оказывает влияния на определенные параметры качества поверхности. 4. Знаком «*» помечены условия обработки, оказывающие основное влияние на определенные параметры качества поверхности. 5. В скобках указаны условия обработки, оказывающие влияние только в тех случаях, когда есть предварительная обработка.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

2.1. Выбор оборудования. 2.2. Выбор электрода-инструмента. 2.3. Выбор рабочей жидкости. 2.4. Определение режима обработки: - выбор полярности разрядных импульсов; - выбор формы разрядных импульсов; - определение параметров импульсов; - выбор параметров прокачки рабочей жидкости; - выбор параметров релаксации и вибрации инструмента; - определение величины межэлектродного зазора. 2.5. Определение времени обработки. 3. Точность ЭЭО Точность ЭЭО определяется, во-первых, факторами, свойственными любому методу размерной обработки, и, во-вторых, факторами, характерными только для ЭЭО. Эти факторы определяют соответствующие погрешности, совокупность которых создает суммарную погрешность. К основным неизбежным причинам, вызывающим погрешность ЭЭО, относятся следующие: 1. Неточность изготовления станка (Δст). 2. Погрешность (Δу.з), вызванная неточностью установки заготовки в приспособлении на рабочем столе. 3. Погрешность (Δу.эи), обусловленная неточностью установки электродаинструмента на станке. Она в первую очередь зависит от непараллельности геометрической оси электрода-инструмента направлению подачи. Каждая из этих погрешностей может быть сведена к минимуму, если в процессе установки используют современные измерительные приборы или отсчетные микроскопы; при этом каждая из погрешностей может составить не более 0,01-0,02 мм. К специфическим погрешностям ЭЭО относят следующие: 1. Погрешность (Δмэз), вызванная наличием в процессе обработки зазора между электродом-инструментом и деталью. 2. Погрешность торцевого межэлектродного зазора (Δтмэз) при колебании напряжения и изменении загрязненности рабочей среды. При одновременной обработке партии деталей не выходит за пределы 0,008-0,01 мм. Погрешность (Δбмэз) бокового зазора несколько больше и зависит от условий подвода рабочей среды. 3. Погрешность (Δизн), вызванная износом электрода-инструмента. Зависит от его эрозионной стойкости, режима ЭЭО и глубины погружения электрода-инструмента в изделие или ширины реза и скорости перемотки проволоки. При электроэрозионной проволочной резке можно отметить следующие характерные для указанного вида обработки источники погрешностей: 1. Износ направляющих электрод-проволоку фильер (как верхней, так и нижней). 2. Отклонение оси электрода от вертикали. 3. Упругие деформации электрода от различных силовых воздействий. 4. Отклонения параметров режущих электромагнитных импульсов. 4. Геометрические параметры качества поверхностного слоя Профиль поверхности при ЭЭО образован большим количеством взаимно перекрывающихся лунок, которые имеют различные геометрические параметры ввиду того, что коэффициент перекрытия может в течение одной обработки принять любое значе-

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

ние из интервала от 1 до 2. Микрогеометрия обработанной поверхности зависит от условий ЭЭО, в том числе от теплофизических свойств материалов заготовки и инструмента, размеров обрабатываемой поверхности, типа рабочей жидкости и других условий. Высотные и шаговые параметры шероховатости поверхности можно определить по следующим теоретическим зависимостям [5]: Rz  3

2 β  1 I U τ η ; R = 1,73Rz; 4 β  1 c ρ Tпл max

Ra = 0,398Rz; Rp = 0,671Rz; Sm 

8 β 4 Rz ; t p  100 10 100 p , 2 β 1

где I – технологический ток, А; U – технологическое напряжение, В;  - длительность импульса тока, мкс;  - коэффициент полезного использования энергии импульса; с – удельная теплоемкость материала изделия, Дж/кгС;  - плотность материала изделия, кг/м3; Тпл – температура плавления обрабатываемого материала, С; р – уровень сечения, %. Формирование волнистости при ЭЭО будет зависеть от схемы формообразования деталей: 1. Копирование формы профилированного электрода-инструмента или его сечения. Данную операцию называют прошиванием. Существуют методы прямого и обратного копирования. 2. Взаимное перемещение обрабатываемой заготовки и непрофилированного электрода-инструмента. При этой схеме возможно вырезание сложнопрофильных деталей и разрезание заготовок непрофилированными электродами, электроэрозионное шлифование плоских и цилиндрических поверхностей. 3. Сочетание перемещений заготовки и профилированного электрода (огибание или обкат). Этот метод редко применяют, но он позволяет получить деталь сложной формы при простой форме электрода-инструмента. На формирование волнистости при электроэрозионной обработке оказывает влияние множество факторов, которые могут присутствовать или отсутствовать в зависимости от схемы обработки и от того, ведется ли обработка в сплошном материале или обрабатывается заранее подготовленная поверхность. К основным факторам, влияющим на получаемую волнистость поверхности при ЭЭО, можно отнести: параметр, обусловленный влиянием исходной волнистости заготовки, Н1; параметр, обусловленный влиянием исходной волнистости инструмента, Н2; параметр, обусловленный влиянием колебаний технологических режимов обработки, Н3. При различных схемах формообразования поверхностей деталей указанные факторы могут оказывать или не оказывать влияние на волнистость получаемой поверхности. При обработке по первой схеме формообразования (прямое и обратное копирование) на получаемую волнистость оказывают влияние: при обработке в сплошном материале – параметры Н2 и Н3; при обработке заранее подготовленных поверхностей – параметры Н1, Н2 и Н3. При второй схеме обработки (разрезание, вырезание, шлифование и т.п.) основное влияние оказывает параметр Н3. Параметры Н1 и Н2 не оказывают влияния ввиду того, что при перемещении инструмента относительно заготовки или заготовки относительно инструмента не происходит копирования геометрических параметров поверхности.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

При изготовлении деталей методом копирования происходит копирование геометрических форм инструмента. Следовательно, копируется и исходная волнистость поверхности инструмента, а также исходная волнистость обрабатываемой заготовки. Вследствие износа инструмента исходная волнистость детали копируется на инструмент, а с поверхности инструмента обратно на деталь (этот процесс можно назвать «схема двойного копирования волнистости»). При износе инструмента его исходная волнистость копируется на поверхность детали не полностью, а лишь частично. В зависимости от схемы формообразования и режимов обработки степень влияния параметров Н1, Н2 и Н3 на образование волнистости будет различной. Таким образом, среднюю волнистость поверхности при электроэрозионной обработке можно получить, просуммировав перечисленные составляющие по правилу суммирования случайных величин [1; 4]. 1. Прямое и обратное копирование: - при обработке заранее подготовленных поверхностей Wz  10

4

 

2

 

2 Wz и  исх

 

заг 2  Wz исх 



2 и Wz исх

 1  0,02γ    0,53 I τ η c ρ Tпл 

   

U 3

max

 3 U min



где I – сила тока при обработке, А; Umax – максимальное напряжение при обработке, Umax=U+U (U – перепад напряжения), В; Umin – минимальное напряжение при обработке, Umin=U-U, В;  - длительность импульса, с;  - коэффициент полезного использования энергии импульса; с – удельная теплоемкость обрабатываемого материала, Дж/кгС;  - плотность обрабатываемого материала, кг/м3; Тпл – температура плавлезаг ния обрабатываемого материала, С; Wzисх - исходная волнистость заготовки, мм;

Wzиисх - исходная волнистость инструмента, мм;  - относительный объемный износ электрода-инструмента, % [3]; - при обработке в сплошном материале 2





 2 I τ η  3 3U . Wz  1  0,02γ  10 γ   0,53 U  max min c ρ Tпл   2. Разрезание, вырезание, шлифование и т.п. При данной схеме и данных операциях обработки средняя волнистость будет определяться только лишь составляющей Н3: I τη 3 Wz  0,53 U max  3 U min . c ρ Tпл 5. Физико-механические параметры качества поверхностного слоя Разрушение электродов при ЭЭО происходит за счет импульсов технологического тока, что приводит не только к удалению материала заготовки, но и к нагреву тонких поверхностных слоев. Нагрев, а также охлаждение данных слоев происходят с высокими скоростями, что, в свою очередь, обусловливает изменение физикомеханических свойств материала заготовки. Для того чтобы анализировать микротвердость и остаточные напряжения при ЭЭО, необходимо в первую очередь знать распределение температурного поля в поверхностном слое изделия [1; 2]. Зная распределение температуры по глубине и используя данные материаловедения, можно спрогнозировать структуру материала, а следовательно, и ожидаемую





и 2 Wzисх

4 2







Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

твердость. Однако реальная твердость будет отличаться от прогнозируемой, так как скорости охлаждения будут не всегда выше или равны критической. Также для определения поверхностной микротвердости материала и глубины залегания материала с измененными физико-механическими свойствами при электроэрозионной обработке можно воспользоваться зависимостями, полученными экспериментально: Hμ

A 0.234 П 0,409 Пи0,171 и 3 и  4,04 0,017 , hμ  10 Пд П 0,236

где Аи – энергия импульса, Дж; Пи - критерий Палатника материала инструмента, ДжВт/м4; Пд – критерий Палатника материала детали, ДжВт/м4. На величину и глубину залегания технологических остаточных напряжений (ТОН) влияют силовой с и тепловой т факторы процесса обработки, а также фазовые превращения ф, протекающие в зоне обработки. Влияние силового фактора при ЭЭО очень мало, поэтому на формирование ТОН будут оказывать основное влияние тепловой фактор процесса обработки и фазовые превращения, протекающие в зоне обработки. Тогда ТОН при ЭЭО можно рассчитать по зависимости 0=тф. Тепловой фактор может привести к формированию на поверхности как растягивающих ТОН, так и сжимающих. При локальном нагреве материала происходит быстрый нагрев тонкого поверхностного слоя материала небольшой площади на незначительную глубину до очень высоких температур с последующим охлаждением. Следовательно, верхний слой испытывает растягивающую нагрузку со стороны нижнего слоя (растягивающие ТОН, 00), а нижний - сжимающую нагрузку со стороны верхнего слоя (сжимающие ТОН, 00). Если фазовые превращения, протекающие при обработке, сводятся к превращению -фазы (ГКЦ решетки) в -фазу (ОЦК решетку), то формируются сжимающие ТОН, если наоборот – растягивающие. Зная зависимости для расчета деформаций и температуру в поверхностном слое материала, получаем окончательную зависимость для расчета ТОН: σ0 

 1   Аи η Е α   2    с ρ 2 πаτ





  y  y 2   σ  пл   EXP   Т , 4аτ  Е    

где Е – модуль упругости первого рода, Па;  - коэффициент линейного расширения материала, С-1; Т – предел текучести материала, Па; а – температуропроводность материала, м2/с; y – расстояние от источника тепла до рассматриваемого слоя, м; yпл – расстояние, определяющее зону плавления материала (рассчитывается по зависимости [1, 2]), м; Аи – энергия импульса, Дж;  - коэффициент полезного использования энергии импульса; с – удельная теплоемкость обрабатываемого материала, Дж/кгС;  плотность обрабатываемого материала, кг/м3;  - длительность импульса, с. 6. Износ и производительность Объемный износ электрода-инструмента и производительность процесса ЭЭО можно определить по следующим зависимостям [3]:

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

γ  0,34

60 η1UI 106 cи ρиTпл

№ 1(64)’2019

Q

60 ηUI 10 , cд ρдTпл 6

где  - объемный износ электрода-инструмента, мм3/мин; Q – производительность электроэрозионной обработки, мм3/мин;  – коэффициент полезного использования энергии импульса; 1 – коэффициент, показывающий, какое количество энергии идет на разрушение электрода-инструмента; Тпл – температура плавления обрабатываемого материала, С; Тпли – температура плавления материала инструмента, С; сд - удельная теплоемкость материала детали, Дж/кгС; си – удельная теплоемкость материала инструмента, Дж/кгС; д – плотность материала детали, кг/м3; и – плотность материала инструмента, кг/м3; U – напряжение, В; I – ток, А. Знание производительности процесса и износа электрода-инструмента позволит определить технологическое время операции ЭЭО, а также параметры волнистости. 7. Рабочие жидкости Существуют различные виды электроэрозионной обработки, в каждом из которых применяются различные рабочие жидкости, обеспечивающие оптимальные режимы обработки материала. При формировании пробоя большое влияние оказывает диэлектрическая прочность рабочей среды и особенно еѐ вязкость. Как правило, на черновых режимах применяются вязкие рабочие жидкости с вязкостью (5-6,6)10-4 м2/с (смесь керосин - масло индустриальное), а чистовые операции производятся в жидкостях с меньшей вязкостью – (1,8-3,1)10-4 м2/с (керосин или углеводородное сырье). Для черновой обработки используются более густые рабочие жидкости, потому что они способствуют более интенсивному удалению продуктов эрозии и тем самым значительно повышают производительность процесса. Чистовая же обработка требует получения на выходе высоких качественных показателей и геометрической точности, поэтому для финишной обработки используются менее вязкие жидкости, что способствует получению высокого качества поверхностного слоя и геометрических размеров. Электропроводность на черновых режимах должна быть около 0,04 - 0,05 Ом1 см-1, а на чистовых – 0,03 - 0,04 Ом-1см-1. Рабочую жидкость следует менять при электропроводности 0,05 Ом-1см-1, так как при 0,06 Ом-1см-1 производительность на чистовых режимах падает в шесть - десять раз. Обработка твердых сплавов должна проводиться с большим значением проводимости рабочей жидкости, чем обработка стали. Для снижения износа электродов и повышения производительности электроэрозионной обработки в рабочую жидкость добавляют поверхностно-активные вещества. 8. Межэлектродный зазор При электроэрозионной обработке пробой промежутка между электродами наступает раньше их касания, поэтому размеры электрода всегда отличаются от размеров обрабатываемых контуров на удвоенную величину межэлектродного зазора. Наибольшее влияние на величину межэлектродного зазора оказывают электрический режим обработки и обрабатываемый материал. Межэлектродный зазор для различных групп материалов можно рассчитать по зависимостям: - для твердых сплавов

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

δ  0,074 I 0,25τ 0,25U 0,42 ;

- для сталей δ  0,064 I 0,25τ 0,25U 0,42 ,

где U – напряжение, В; I – ток, А;  - длительность импульса тока, с. 9. Выводы Таким образом, c использованием таблицы, последовательности проектирования технологического процесса ЭЭО, расчетных и экспериментальных зависимостей проектируется технологический процесс ЭЭО для конкретного изделия. Для обеспечения нормального протекания процесса ЭЭО необходимо подвести к электродам импульсы технологического тока с требуемыми формой и параметрами, а также ввести в межэлектродный промежуток поток диэлектрической жидкости для удаления продуктов обработки и охлаждения рабочей зоны. Кроме того, необходимо поддерживать оптимальный размер межэлектродного зазора. При ведении ЭЭО меняются условия обработки и выходные характеристики как при переходе от одного этапа обработки к другому, так и в пределах одного этапа. Это приведет к изменению качества поверхностного слоя и производительности процесса. Поэтому для достижения максимальной производительности и требуемого качества поверхности при минимальных затратах необходимо детально разрабатывать технологический процесс ЭЭО и определять оптимальные параметры его ведения. Это возможно при помощи представленных рекомендаций, методики разработки технологического процесса ЭЭО и расчетных зависимостей, связывающих качество поверхностного слоя, межэлектродный зазор, производительность и износ инструмента с основными параметрами электроэрозионного процесса. ЛИТЕРАТУРА 1. Съянов, С. Ю. Связь параметров электрофизической обработки с показателями качества поверхности, износа инструмента и производительностью процесса / С.Ю. Съянов // Вестник Брянского государственного технического университета. – 2008. – № 1 (17). – С. 14-19. 2. Федонин, О. Н. Методика определения технологических остаточных напряжений при механической и электрофизической обработке / О. Н. Федонин, С. Ю. Съянов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2002. – № 4. – С. 32. 3. Федонин, О. Н. Управление износом инструмента и производительностью процесса при электроэрозионной обработке / О. Н. Федонин, С. Ю. Съянов, Н. И. Фомченкова // Вестник Брянского государственного технического университета. – 2014. – № 3. – С. 85-88. 4. Съянов, С. Ю. Технологическое управление параметрами качества поверхностного слоя деталей машин при электроэрозионной обработке / С. Ю. Съянов // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2014. – №6 (36). – С. 24-29. 5. Съянов, С. Ю. Теоретическое определение параметров качества поверхностного слоя деталей, износа электрода-инструмента и производительности процесса при электроэрозионной обработке / С. Ю. Съянов // Вестник Брянского государственного технического университета. – 2016. – № 1 (49). – С. 67-73. Поступила в редколлегию 16.01.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

УДК 621.9.047 С. Ю. Съянов, канд. техн. наук, доцент, А. М. Папикян, ассистент, Брянский государственный технический университет, Брянск, Россия Тел./Факс: (4832) 588285; E-mail: serg620@yandex.ru Papikan-alina@mail.ru ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОСВЯЗИ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ПРИ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКЕ Обобщены результаты теоретических исследований влияния режимов электроэрозионной обработки на эксплуатационные свойства деталей. Показано, что на усталостную прочность влияют режимы обработки и коэффициент после электроэрозионной обработки; показатель износостойкости определяется как режимами обработки, так и физико-механическими свойствами материала заготовки. Ключевые слова: усталостная прочность, износостойкость, электроэрозионная обработка, качество поверхностного слоя. S. Yu. Syanov, A. M. Papikyan THEORETICAL STUDIES OF RELATIONSHIP BETWEEN THE WEAR RESISTANCE AND FATIGUE STRENGTH IN ELECTRIC DISCHARGE MACHINING The results of theoretical studies of the influence of modes of electrical discharge machining on the performance properties of parts are summarized. It is shown that the fatigue strength is influenced by the processing modes and the coefficient after the electrical discharge treatment; the wear resistance index is determined by both the processing modes and the physical and mechanical properties of the workpiece material. Keywords: fatigue strength, wear, electroerosion processing, quality of the surface layer.

1. Введение Обработка металлов различного уровня твердости с высокой точностью возможна при использовании нетрадиционных способов. Одним из таких методов является электроэрозионная обработка (ЭЭО). ЭЭО заключается в изменении формы, размеров, шероховатости и свойств поверхности электропроводной заготовки под действием электрических разрядов между заготовкой и электрод-инструментом. ЭЭО экономически выгодно применять при обработке сложно-профильных деталей, одним из таких являются формообразующие детали (ФОД) пресс-форм. При электроэрозионной обработке ФОД в поверхностном слое материала возникают остаточные напряжения, которые являются причиной разрыва формообразующих деталей и поломки пресс-формы [1, 3, 4]. Для решения данной проблемы следует разработать комплекс мероприятий по повышению надежности и долговечности ФОД на основе обеспечения заданных, требуемых или предельных эксплуатационных свойств. В настоящее время, для обеспечения заданных эксплуатационных свойств деталей при ЭЭО применяют функционально-ориентированные технологии (рис.1) [2, 5, 6, 7]. Основные этапы разработки функционально-ориентированных технологических процессов ЭЭО следующие: 1) анализ основных элементов конструкции и выделение типовых поверхностей изделия; 2) определение служебных функций типовых поверхностей изделия; 3) определение эксплуатационного свойства или группы эксплуатационных свойств, обеспечивающих выполнение поверхностью изделия служебной функции;

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

4) определение параметров качества поверхностного слоя, обеспечивающих эксплуатационное свойство или группу эксплуатационных свойств; 5) рассмотрение схемы технологического воздействия, вариантов и условий реализации технологических операций ЭЭО для обеспечения необходимых параметров качества поверхностного слоя.

Рисунок 1. Этапы разработки функционально-ориентированного технологического процесса электроэрозионной обработки Целью исследований является получение теоретических зависимостей взаимосвязи усталостной прочности и износостойкости с условиями электроэрозионной обработки. 2. Получение теоретических зависимостей взаимосвязи усталостной прочности и износостойкости с режимами электроэрозионной обработки Усталостная прочность – свойство материала не разрушаться с течением времени под действием изменяющихся рабочих нагрузок. Разрушение происходит из-за появления микротрещин, их накопления, затем объединения в одно макроразрушение. При электроэрозионной обработке ФОД в поверхностном слое образуются остаточных напряжения, что приводит к появлению микротрещин. Чтобы решить данную задачу

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

следует обеспечить такие режимы ЭЭО, которые не ухудшат показатели усталостной прочности. Сопротивление усталости характеризуется коэффициентом концентрации напряжения, который рассчитывается по формуле [7]: 200 (1) 2R max( R max Rp )0.5 ,   1  tmSm где Rmax, Rp, Sm – параметры шероховатости; tm – относительная опорная длина профиля на уровне средней линии;  – коэффициент после электроэрозионной обработки, который необходимо определить в результате экспериментальных исследований. В свою очередь, параметры шероховатости при ЭЭО можно рассчитать по теоретическим зависимостям [8; 9; 11]: 2  β  1  I  U  η  τ , (2) Rmax  3 4  β  1  c  ρ  Tme Rp=0,671Rz, (3) 2  β  1  I  U  η  τ , (4) Rz  0.843 4  β  1  c  ρ  Tme Sm=4,5Rz, (5) (6) tm  0.49  p 1.02 , где  - коэффициента перекрытия лунок; I – сила тока; U – напряжение, подаваемое на электроды;  - коэффициента полезного использования энергии импульса;  – длительность импульсов; с – удельная теплоемкость материала;  - плотность материала; Тme – температура плавления материала; р – уровень сечения (50%). Подставив уравнения (2-6) в уравнение (1), получим 1,86 γ 0,5 . ασ  1   2  β  1  I  U  η  τ 6 4  β  1  c  ρ  Tme Таким образом, можно сделать вывод о том, что усталостная прочность зависит от силы тока, напряжения, подаваемого на электроды и длительности импульсов.

Рисунок 2. График зависимости усталостной прочности от ширины импульса

Рисунок 3. График зависимости усталостной прочности от силы тока

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Рисунок 4. График зависимости усталостной прочности от напряжения Исследования проводились для инструментальных штамповых сталей. На рис. 2, рис. 3, рис.4 приведены графики зависимостей усталостной прочности от режимов ЭЭО. Износостойкость – эксплуатационное свойство, определяющее способность поверхностных слоев деталей сопротивляться разрушению при трении-скольжения, трении-качения, а также при микроперемещениях, обусловленных воздействием вибраций Трение и изнашивание деталей в значительной степени определяется формой и высотой шероховатости, а также направлением штрихов обработки. Для оценки качества поверхностей трения предложен параметр, характеризующий равновесное состояние поверхностей трения [7]:

RaWzHmax 6  1

Сх

2 1 2 Sm 2 u 3 λ cw

(7)

tm где Hmax – макроотклонения поверхности; Wz – волнистость поверхности; Ra, Sm – параметр шероховатости поверхности; tm – относительная опорная длина профиля на уровне средней линии; ucw – степень наклепа поверхностного слоя;  – коэффициент, учитывающий влияние поверхностных остаточных напряжений второго рода на износ. Волнистость поверхности можно рассчитать по теоретической зависимости [8; 9; 11]:





I τ η 3 (8)  U max  3 U min , c  ρ T где I – сила тока;  - коэффициента полезного использования энергии импульса;  – длительность импульсов; с – удельная теплоемкость материала;  - плотность материала; Т – температура плавления материала; Umax – максимальное напряжение при обработке; Umin – минимальное напряжение при обработке. Wz  0,5  3

Степень наклепа поверхностного слоя определяется формулой [9]: Н  Нh Uн  s , (9) Нs где Hh – микротвердость наклепанного слоя; Нs – микротвердость исходного материала. В свою очередь, микротвердость исходного материала при электроэрозионной обработке определяется формулой [8, 9, 11]:

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

h  10

3

№ 1(64)’2019

А0p ,234  П t0 ,409



, (10) П d0 ,236 где Аp – энергия импульса; Пd – коэффициент фазовых превращений Палатника материала детали; Пt – коэффициент фазовых превращений Палатника материала инструмента. Коэффициент, учитывающий влияние поверхностных остаточных напряжений второго рода на износ определяется формулой [7]: t

  te    re   , (11)      am   где  te – временное сопротивление разрушению;  am – действующее значение амплитудного напряжения на поверхности трения; t – параметр фрикционной усталости при упругом контакте.

Подставив уравнения (2-6), (8-11) в уравнение (7), получим:

C

 I     3  c   T  2    1  I  U     0 ,0005    4    1  c    Tme

  



1/ 6

U max  U min 3



  H max  

1/ 6

0 ,234   П t0 ,409    10 3  А p Н h   П d0 ,236       3 А 0p ,234  П t0 ,409   10    0 ,236    П d   

       

2/3

     re   te   am 

   

Исследования проводились для инструментальных штамповых сталей. На рис. 5, рис. 6, рис. 7 приведены графики зависимостей износостойкости от режимов ЭЭО.

Рисунок 5. График зависимости износостойкости от ширины импульса

Рисунок 6. График зависимости износостойкости от силы тока

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

7.810

7.62210

7.44410

7.26710  ( U)

7.08910

1 ( U) 6.911104 4

6.73310

6.55610

6.37810

6.210

12.222 14.444 16.667 18.889 21.111 23.333 25.556 27.778

Рисунок 7. График зависимости износостойкости от напряжения Таким образом, можно сделать вывод о том, что износостойкость зависит от режимов электроэрозионной обработки. Обобщенные теоретические исследования по обеспечению усталостной прочности и износостойкости приведены в таблице 1. Данные таблицы позволяют установить режимы электроэрозионной обработки, которые обеспечивают получение требуемых параметров усталостной прочности и износостойкости. Таблица 1. - Взаимосвязь усталостной прочности и износостойкости с условиями ЭЭО Режим обработки Режимы электроэрозионной обработки I, А 2,6 10 – 30 2,6 Технологические паU, В 30 30 30 – 50 раметры 8 – 16 8 8 и, мкс 6,93·104 – С 6,28·104

Износостойкость Параметры, характеризующие эксплуатационные свойства

Усталостная прочность

 

790-700

5,72·104 – 5,15·104

7,8·104 – 6,1·104

880 – 720

898 – 800

Результаты исследований относятся к деталям из инструментальных штамповых сталей. 9. Выводы В ходе проведенных теоретических исследований были получены функциональные зависимости эксплуатационных свойств (усталостной прочности и износостойкости) от условий электроэрозионной обработки. Усталостная прочность зависит от силы тока, напряжения, подаваемого на электроды и длительности импульсов. Износостойкость также зависит от режимов обработки и от физико-механических свойств материалов заготовки. Большее влияние на параметры эксплуатационных свойств (усталостной прочности и износостойкости) оказывает напряжение, возникающее при обработке.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

При обеспечении данных эксплуатационных характеристик снижается риск поломки деталей и увеличивает срок цикл работы сборочной единицы. ЛИТЕРАТУРА 1. Федонин, О. Н. Обеспечение износостойкости и усталостной прочности поверхностей при электроэрозионной обработке / О. Н. Федонин, С. Ю. Съянов, А.М. Папикян // Наукоѐмкие технологии в машиностроении. – 2017. – № 11 (77).– С. 10–14. 2. Съянов, С. Ю. Функционально-ориентированные технологии при электроэрозионной обработке / С. Ю. Съянов, А. М. Папикян // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2018. –№ 2 (80). – С. 35-39. 3. Козлов, В. Г. Современные методы обработки металлов. Электроэрозионная обработка / В. Г. Козлов, В. С. Волков // Молодежный вектор развития аграрной науки. – 2015. – С. 180-184. 4. Сарилов, М. Ю. Выбор параметров управления качеством при электроэрозионной обработке поверхностей деталей / М. Ю. Сарилов, М. А. Покотило // Автоматизация. Современные технологии. – 2009. – № 4. – С. 3-9. 5. Брецких, А. Ф. Электроэрозионная обработка / А. Ф. Брецких В. И. Сысун // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. – 2010. – № 2 (107). – С. 78-82. 6. Михайлов, А. Н. Общие особенности функционально-ориентированных технологий и принципы ориентации их технологических воздействий и свойств изделий / А. Н. Михайлов // Машиностроение и техносфера XXI века: сб. тр. XIV междунар. науч.-техн. конф. (г. Севастополь, 17-22 сент. 2007 г.): в 5 т. – Донецк: ДонНТУ, 2007. – Т. 3. – С. 38-52. 7. Михайлов, А. Н. Функционально-ориентированные технологии. Особенности синтеза новых и нетрадиционных свойств изделий / А. Н. Михайлов // Машиностроение и техносфера XXI века: сб. тр. XV междунар. науч.-техн. конф. (г. Севастополь, 1520 сент. 2008 г.): в 4 т. – Донецк: ДонНТУ, 2008. – Т. 2. – С. 290-314. 8. Syanov, S. Y. Theoretical determination of surface layer quality characteristics of workpieces, tool electrode wear and efficiency of spark eroding / S. Y. Syanov // Proceedings of 2015 International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems. – 2015. 9. Съянов, С. Ю. Теоретическое определение параметров качества поверхностного слоя деталей, износа электрода-инструмента и производительности процесса при электроэрозионной обработке / С. Ю. Съянов // Вестник Брянского государственного технического университета. – 2016. – № 1 (49). – С. 67-73. 10. Суслов, А. Г. Научные основы технологии машиностроения / А. Г. Суслов, А. М. Дальский. – М.: Машиностроение, 2002. – 684 с. 11. Съянов, С. Ю. Технологическое управление параметрами качества поверхностного слоя деталей машин при электроэрозионной обработке / С. Ю. Съянов // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2014. – № 6 (36). – С. 24-29. Поступила в редколлегию 16.01.2019 г.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

УДК 621.01(06) Т. В. Хавлин1, соискатель, А. Н. Михайлов2, д-р техн. наук, проф., Д. А. Михайлов3, канд. техн. наук, ст. преп., В. А. Михайлов2, аспирант, С. В. Глухов1 , старший преподаватель 1 ГОО ВПО «Донецкая академия внутренних дел МВД ДНР», 2 ГОУ ВПО Донецкий национальный технический университет, ДНР, 3 ГОУВПО «Академия гражданской защиты», ДНР Тел./факс: +38(071)3122392; E-mail: strana.sovetov.80@mail.ru ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ И СОСТАВЛЯЮЩИЕ ОБЩЕГО ПРОЦЕССА РАЗРАБОТКИ МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА ЛОПАТОК ТУРБИН ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В данной статье выполняется классификация функционально-ориентированных покрытий, которые могут применяться для защиты лопаток турбин газотурбинных двигателей, изучаются возможные способы повышения ресурса лопаток на базе функционально-ориентированного подхода, предлагается вариант общей блок-схемы проведения исследования в данной области. Ключевые слова: лопатка турбины авиационного двигателя, способы повышения качества, классификация, функционально-ориентированные технологии, защитные покрытия.

T. V. Khavlin, A. N. Mikhailov, D. A. Mikhailov, V. A. Mikhailov, S.V. Glukhov SEQUENCE AND DETERMINE THE COMPONENTS OF THE OVERALL PROCESS OF DEVELOPING A METHOD OF INCREASING THE LIFE OF TURBINE BLADES OF GAS TURBINE ENGINES In this article, the classification of functionally-oriented coatings that can be used to protect turbine blades of gas turbine engines, the possible ways to improve the life of the blades on the basis of a functionally-oriented approach, the variant of the General block diagram of the study in this area. Keywords: aircraft engine turbine blade, methods of quality improvement, classification, function-oriented technologies, protective coatings.

1.Введение Высокая температура, давление, наличие механических и химических примесей в топливе, сложно структурированные напряжения растяжения, вибрации и изгиба являются факторами, определяющими сложность условий эксплуатации лопаток турбин авиационных газотурбинных двигателей (далее – ЛТ ГТД), а особенности – неоднородности возникающих повреждений. Подвергаясь воздействию различных нагрузок, которые вдобавок непостоянны по продолжительности и неравномерны по мощности воздействия на различные элементы (части, зоны), ЛТ ГТД на своѐм уровне должны обеспечить стабильность работы турбины, а тем самым и обеспечить надѐжность при эксплуатации авиационного двигателя в целом [1]. В связи с этим, в данной статье рассматривается возможность повысить ресурс ЛТ ГТД работающих в агрессивной среде(высокотемпературная коррозия, механическая эрозия, диффузия покрытия и основного металла и т.д.).Для чего планируется создать технологический процесс, универсальность которого базируется на основе синтеза функционально-ориентированных технологий способных обеспечить разно уровневую равно эффективную защиту всех поверхностей ЛТ ГТД [2] различных турбин. Для осуществления данной задачи выполняется изучение ряда вопросов, например, таких как: © Хавлин Т.В., Михайлов А.Н., Михайлов Д.А., Михайлов В.А., Глухов С.В.; 2019

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

1. Классификация функционально-ориентированных покрытий (далее – ФОП) для придания специальных свойств ЛТ ГТД. 2. Разработка способа повышения ресурса ЛТ ГТД на базе функциональноориентированного подхода. 3. Составление общей блок-схемы исследования проводимого с целью повышения ресурса ЛТ ГТД. Цель данной работы – изучить последовательность и определить составляющие общего процесса разработки метода повышения ресурса ЛТ ГТД. Для выполнения целевого исследования в данной работе решаются следующие задачи: 1. Выполняется классификация ФОП ЛТ ГТД. 2. Разрабатывается способ повышения качества ЛТ ГТД на базе функциональноориентированного подхода. 3. Составляется общая блок-схема исследования проводимого с целью повышения ресурса ЛТ ГТД. 2. Основное содержание и результаты работы по выполнению классификации ФОП ЛТ ГТД Работа по созданию метода повышения ресурса ЛТ ГТД объединяет в себе множество действий, необходимых для применения в синтезе процесса, направленного на создание условий способных сориентировать технологов в выборе (создании) верной (правильной) технологии способной повысить ресурс изделия. Возможность осуществления качественного синтеза технологий применимых для повышения ресурса ЛТ ГТД во многом определяется наличием разнообразных и разно уровневых составляющих как материальных, так и интеллектуальных, и энергетических. Множество таких составляющих определит ограничения в логике выбора способов и методов при создании технологии. Такими составляющими являются различные теории, наблюдения, исследования, мнеРисунок 1. Классификация ФОП для ЛТ ГТД. ния, выводы, факты, факторы, аспекты или же классификации, например, классификация основных эксплуатационных воздействий, или ориентированная классификация ЛТ ГТД, классификация основных методов, применяемых для повышения качества лопаток и т. д.[1, 3, 4]. Общее множество таких информационно-аналитических (интеллектуальных) источников разумно дополняет классификация ФОП для ЛТ ГТД (рис.1). Вариант классификации ФОП, выполнен следующим образом: - однослойные покрытия;

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

- многослойные покрытия; - комбинированные покрытия. Однослойные ФОП, например – это покрытия с изменяемой толщиной и изменяемыми физическими, химическими и механическими свойствами. При этом, однослойные ФОП c изменяющимися свойствами могут иметь различную пространственную (функциональную) ориентацию: - изменяющиеся свойства целевой зависимости; - изменяющиеся свойства зональной зависимости; - изменяющиеся векторные свойства (градиентные); - изменяющиеся свойства по осям координат Рисунок 2. Варианты нанесения ФОП ЛТ ГТД, где: x,y,z; а – однослойное покрытие с постоянными толщиной и - другие свойства. свойствами; б – однослойное покрытие постоянной толМожно рассмотщиной и переменными свойствами; в - однослойное пореть некоторые варианкрытие равномерно переменной толщины и постоянными ты нанесения ФОП ЛТ свойствами; г - однослойное покрытие неравномерно из- ГТД (рис. 2), где: 1 – меняющейся толщины и постоянными свойствами; д – фрагмент пера лопатки; зонально-многослойное покрытие со слоями одинаковой 2 – повреждение элетолщины (свойствами); е - зонально-многослойное (мно- мента пера лопатки; гомодульное) покрытие со слоями неодинаковой толщи- C,C ,C ,…C – слои по1 2 n ны (свойствами). крытия; h,h1,h2,…hn – толщина покрытия. Так же, для обеспечения разно уровневой равно эффективной защиты (далее – ОРРЗ) ЛТ ГТД, в связи наличием неравномерности износа функциональных элементах лопатки, об этой особенности говорилось в начале статьи, можно применять однослойные покрытия изменяющейся толщины различных вариаций: - функционально-ориентированная толщина; - толщина униформно-изменяющаяся; - изменяющаяся толщина по оси x (y); - другие свойства.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Наряду с однослойными покрытиями, для повышения ресурса ЛТ ГТД применимы многослойные покрытия, имеющие специальные свойства, а именно: - зонально-ориентированное количество слоѐв; - зональная структура свойств каждого слоя; - функциональная структура свойств каждого слоя; - модульные ориентации свойств; - ступенчатая ориентация свойств; - одинаковые свойства (толщина) во всех слоях; - разные свойства (толщина) во всех слоях; - другие свойства. Но более пристальное внимание необходимо уделить возможности применения комбинированных покрытий, которые позволяют, обеспечить соблюдения принципа ОРРЗ от комплексного неоднородного воздействия (абразив, температура, химические примеси, диффузия и т.д.) на лопатки турбины. Комбинированные покрытия для повышения ресурса ЛТ ГТД, наиболее применимы при наличии условий сложно структурированных эксплуатационных нагрузок и могут иметь следующие структуры: - однослойные комплексы покрытий; - покрытия с набором свойств зональной ориентации; - покрытия с набором свойств градиентно-модульной ориентации; - покрытия с набором свойств ступенчатой архитектуры; - покрытия с набором свойств направленной архитектуры; - другие свойства. Таким образом, имея информационный ресурс в виде рассмотренной в классификация ФОП (рис. 1), можно обеспечить выполнение одного из промежуточных этапов синтеза специальной технологии повышения ресурса ЛТ ГТД, разработать гипотетические структурные варианты ФОП, с возможностью выбора вариаций специальных покрытий и материалов для их нанесения как основы способа повышения ресурса ЛТ ГТД на базе функционально-ориентированного подхода. 2. Разработка способа повышения ресурса ЛТ ГТД на базе функциональноориентированного подхода. В нашей работе предлагается, сформировать технологический процесс по нанесению защитных покрытий на ЛТ ГТД, например, способом детонационного напыления. Детонационное напыление – это процесс нанесения защитных покрытий, путѐм разогрева и разгона порошкообразного материала (смеси) энергией взрыва газа. Процесс имеет управляемую последовательность детонаций, что является основой для формирования структуры и размерности покрытий. Инициирование взрыва газовой смеси происходит за счѐт искры на свече, поступающий в камеру сгорания газ мгновенно воспламеняется, разогревает и разгоняет подаваемый в ствол пушки дозированный порошок. Разогретая порошковая смесь разгоняется по стволу по направлению к обрабатываемой ЛТ ГТД и вбивает сформировавшиеся частицы в поверхность, при этом формируется плотная структура покрытия. Вовремя детонации скорость частиц превышает скорость звука, достигая (в зависимости от состава газовой смеси) от 420 м/с до 1300 м/с и более, а температура доходит до точек плавления материала порошков и основы – 1500...4000 °С [5]. При столкновении расплавленного материала происходит ударное прессование на молекулярном уровне и порошок прочно соединяется с

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

поверхностью детали. Необходимая толщина покрытия формируется продолжительностью последовательных детонаций. Достоинствами данного покрытия являются: низкая пористость покрытия, высокая прочность связи с основой обрабатываемой детали, незначительное термическое воздействие, позволяющее избегать нежелательных термонапряжений и коробления даже тонкостенных деталей сложной конструкции [6]. Однако главное что должно соблюдаться при нанесении защитного покрытия, это его функциональное ориентирование на условия эксплуатации, т.е. создание покрытия особых форм и пропорций на поверхности детали [3]. Такое условие может определяться ещѐ одним принципом, так скажем, обратной пропорциональности. Например, выражение «от простого к сложному» можно интерпретировать в подход «простота в сложном». Например, в частности, Рисунок 3. Схемы технологических процессов ремонта и усложняя состав топизготовления ЛТ ГТД. лива мы выигрываем в температуре горения и упрощаем процесс получения большого количества энергии, усложняя композицию материалов для литья, мы получаем прочный инструмент и упрощаем процесс воздействия им на материалы и процесс его содержания, а усложняя пространственную композицию материалов и количество слоѐв защитного покрытия ЛТ ГТД мы повышаем ресурс лопаток, упрощая процесс эксплуатации и ремонта двигателя в целом. Анализ данного вывода, возможно, провести на базе представленных вариантов технологических процессов (рис. 3.), где V1, 2, 3 – варианты технологических процессов (традиционный, нанесение ФОП на этапе ремонта, нанесение ФОП на этапе изготовления); НИ – неравномерный износ; РИ – равномерный износ; ТП – традиционное покрытие; ФОП – функционально-ориентированное покрытие; ОРРЗ – принцип обеспечения разно уровневой равноэффективной защиты; СУНИ1.52.4 – связь управления процессом повышения ресурса объекта; СВ1.41.5, СВ2.52.4 – связи взаимодействия при обеспечении целевой функции; С1.41.5, С2.52.4 – свойства лопатки (покрытия) обеспечивающие выполнение технических функций, У1.41.5, У2.42.5 – условия эксплуатации; r = 1, 2, 3. …,n – количество циклов восстановления.

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Если быть более точным то, обеспечивая выполнение указанных принципов путѐм использования многослойных ФОП (модулей) можно исключить из технологического процесса такие этапы как сложный ремонт лопаток, сложное снятие старого (разрушившегося не по всей поверхности) покрытия имеющего повышенную (химическую, термическую, механическую) прочность, а это довольно энергоѐмкие, трудоѐмкие и материалоѐмкие мероприятия, которые сопровождаются серьѐзным контролем над качеством выполнения и требуют высококвалифицированного сопровождения каждого действия. Одним словом, гораздо более эффективно повышать ресурс ЛТ ГТД, за счѐт нанесения ФОП на этапе изготовления лопатки, в отличие от традиционного подхода, т.е. эксплуатации лопаток со стандартным равномерным однослойным покрытием в течение запланированного ресурса с последующим сложным ремонтом или вообще утилизации. На данных рисунках показано соотношение объѐмов составных частей (операций) синтеза технологического процесса в каждом возможном варианте. Анализируя первую схему, представленную на рисунке 3 (вариант V1), следует обратить внимание, на то, что в случае традиционного нанесения защитных покрытий определѐнные нами особенности эксплуатации приводят к неравномерному изнашиванию (НИ) покрытия. В тоже время проводимая исследователями аналитика проблем в данной сфере условно создаѐт потоки информации I из общей системы анализа, которые так же условно создают управляющие связи СУНИ1.52.4, т.е. дают толчок к разработке технологий, которые способны предать ЛТ ГТД новые специальные свойства и сократить (распределить) часть интеллектуальных, энергетических и материальных затрат. Изучая схему вариант V2, представленную на рисунке 3, технологические преобразования, указанные под номерами 2.1, 2.2, 2.3 ↔ 1.1, 1.2, 1.3. Также, аналогичны результаты эксплуатации, появление неравномерного износа (НИ), и только последующие действия, связанны с возобновлением работоспособности детали опираясь на принцип ОРРЗ ЛТ ГТД, что возможно за счѐт нанесения ФОП. Такой технологический процесс более перспективен по отношению с процессом на рис. 3 (вариант V1), тем, что сокращает в последующем, после первого восстановление, сложную предварительную обработку лопатки, связанную со снятием не окончательно разрушившегося защитного покрытия и предотвращает разрушение тела детали, т.е. увеличивает количество циклов восстановления Схема технологического процесса (вариант V3), рассматриваемая на рис. 3, является наиболее рациональной, так как на этапе изготовления лопаток применяется ФОП, что следует принципу ОРРЗ, и что позволяет максимально увеличить количество циклов эксплуатация – восстановление. В данном случае свойства лопатки соответственно сориентированы на условия эксплуатации, и можно сказать, равны. Постоянство равенства поддерживается аналитическим ресурсом гипотетической системы анализа – научными изысканиями, происходящими в области повышения ресурса деталей авиационных двигателей, в свою очередь необходимость которых определяется межобъектовыми и внутриобъектовыми связями в сфере или в обществе в целом. И так учитывая вышеизложенное, можно перейти к рассмотрению непосредственно самого технологического процесса повышения ресурса ЛТ ГТД. Весь этот процесс может быть разделѐн условно на несколько основных стадий. 1-я стадия – подготовка ЛТ ГТД к напылению покрытия; 2-я стадия – напыление покрытия (ФОП, традиционное) на функциональные элементы ЛТ ГТД;

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

3-я стадия – обработка функциональных элементов ЛТ ГТД после напыления покрытий.

Рисунок 4. Процесс нанесения покрытия на ЛТ ГТД и его основные стадии и операции. Каждая стадия процесса (рис. 4),где n – мощность множества вариантов покрытий, объединяющихся в модуль (модули) в свою очередь может делиться (охватывать) на технологические операции такие как: Технологические операции 1-й стадии: - удаление неравномерно изношенного покрытия (химические способы – рыхление или травление, механические способы – шлифование), контроль состояния поверхности; - отделочная обработка функциональных элементов ЛТ ГТД (энергомеханические способы – детонационная пескоструйная обработка и т.д.). Технологические операции 2-й стадии:

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

- операции по напылению покрытий (активация поверхности) на функциональные поверхности (части, элементы, зоны) ЛТ ГТД используя различные материалы. Применяемые в этом процессе покрытия, как рассматривалось ранее, могут быть однослойными, многослойными, комбинированными, а нанесение ФОП на этапе изготовления или, в крайнем случае, ремонта является наиболее рациональным способом повысить ресурс ЛТ ГТД и упростить процесс эксплуатации лопаток применяя сложноструктурированные многокомпонентные, многослойные (модульные) покрытия. Технологические операции 3-й стадии технологического процесса являются вариативными, т.е. в зависимости от требований, предъявляемых к поверхностям детали, данная стадия может быть исключена из процесса по решению технолога. Так в случае с детонационным напылением, которое имеет шероховатость Rа≈1,5…0,8 мкм, возможна вероятность не выполнения окончательной механической обработки при условии, что детали будут использоваться в среде, где приоритетом будет осуществление защиты от термического воздействия, эрозии и т. д. В продолжении следует отметить, что одним из ключевых шагов в алгоритме создания способа повышения ресурса ЛТ ГТД, является создание гипотетических (базовых) вариантов структурных схем ФОП ЛТ ГТД. Такие варианты структурных схем покрытий могут предполагать наличие нескольких типов, как например, однослойное ЕЕН – покрытие наносится как единовременно-единовременное непрерывное и многослойное ЕЕП – покрытие наносится как единовременно-единовременное прерывное (рис. 5). Имеется ввиду, что слой покрытия на функциональный элемент (зону) напыляется в направлении Sи Tединовременно, а в направлении V непрерывно в случае ЕЕН, а в случае ЕЕП в направлении Sи T единовременно, а в Рисунок 5. Структурные варианты покрытий для ЛТ ГТД: направлении V а) покрытие типа ЕЕН, б) покрытие типа ЕЕП прерывисто [2]. Учитывая, что детонационные покрытия априори считаются многослойными[5] то для нашего исследования более приемлемо рассматривать вариант многослойного (модульного) покрытия, которое должно обеспечить защиту от диффундирования элементов между металлом и защитным покрытием, разгара защитного покрытия с последующим разрушением, защиту покрытия от разрушения при воздействии на него механических частиц и т.д. Но при нанесении следует учитывать тот факт, что ЛТ ГТД – это деталь со сложной геометрической формой, и защитное покрытие которое необходимо наносить так же при напылении будет принимать, можно сказать трѐхмерную структуру.

100

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

Математическое отображение процесса нанесения многослойного покрытия может в общем иметь вид[2].

(1)

где VM – обозначение многослойного покрытия типа ЕЕП; n – число слоев различных покрытий;  – дизъюнкция (алгебра логики) обозначающая прерывистость процесса напыления покрытия в направленииv. Объединив рассмотренные выше условия, схемы и предложения, а также учитывая такой немаловажным фактор, как контроль ориентации поверхностей (частей, зон) лопатки относительно угла воздействия потока частиц наносимого материала (угол обстрела поверхности не менее 45о), опираясь также на предложенные в [1, 2] особые принципы ориентации технологических воздействий, можно перейти к созданию варианта схемы нанесения ФОП, учитывая особенности разрушения и изученные технологические воздействия на элементы лопатки. Результатом создания такой схемы, может быть, как пример напыление покрытия, которое, как и деталь, что рассматривается в данной работе, приобретѐт сложную геометрическую (пространственную) форму при условии многослойности и разно компонентности. Такая схема или один из вариантов схем, в сущности, является частью процесса придания ЛТ ГТД специальных ориентированных свойств и придания, ей требуемого потенциала, который повысит ресурс двигателя в целом.

Рисунок 6. Схема нанесения многослойного детонационного покрытия на ЛТ ГТД.

Схематически нанесения многослойного детонационного ФОП ориентированного на особенности эксплуатации может выглядеть следующим образом (рис. 6). На данной схеме, видно несколько поверхностей, на которых происходит разрушение в виде плоских и объѐмных геометрических форм (линий, прямоугольников,

101

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

эллипсов и т.д.). Можно определить, что для данного случая разрушению подвержены три функциональных элемента входная кромка, выходная кромка и корыто. На кромках распространение разрушения покрытия происходит одновременно в разных направленияхтак, начало полного разрушения покрытия и основного металла на выходной кромке пера имеет вид широкой линии а1 – 1 – а1, далее повреждение покрытия расширяется до поверхности корыта а2 – 2 – а2 – а1 – 1 – а1 – а2 и так разрушение происходит до поверхности, обозначенной как а5 – 5 – а5 – а4 – а3– а3 – – 1 – а1– а2 – а3 – а4 охватывающей входную кромку. Дополнительно на поверхности входной кромки просматривается разрушение покрытия в области имеющей форму неправильного эллипса, следовательно, можно локализовать поверхность разрушения, обозначив еѐ b – b1 (b1) (область по решению технолога может увеличиваться, уменьшаться, изменять направление, форму и т.д.). Такой геометрический набор характерен только для данного случая, обусловленного видом ЛТ ГТД, материалом самой лопатки, материалом покрытия, методами нанесения покрытия, продолжительностью эксплуатации и т.д. Учитывая это, наша работа в целом направленна на проектирование такого технологического который способен обеспечить повышения ресурса ЛТ ГТД различных машин. Это могут быть как двигатели летательных аппаратов (самолѐтов, вертолѐтов и т.д.) так и двигатели наземных машин (танк Т80 с силовой установкой ГТД-1000Т и его модификации), а также установки топливноэнергетических сетей (SGT300 Tempest, SGT Рисунок 7. Блок-схема процесса исследования. 100 -1S и т.д.).

102

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

На основании рассмотренных особенностей повреждения традиционного защитного покрытия можно сформировать структуру и последовательность нанесения ФОП на ЛТ ГТД. 3. Составление общей блок-схемы исследования проводимого с целью повышения ресурса ЛТ ГТД Исследование процесса повышения ресурса ЛТ ГТД – это совокупность последовательных и параллельных интеллектуальных и практических подпроцессов, стадий, этапов, операций и т.д. Качество условий труда, своевременность обеспечения, результативности исследования закладываются в сам процесс ещѐ на этапе планирования. С этой целью предлагается рассмотреть блок-схему (рис.7) планирования общего процесса исследования по повышению ресурса ЛТ ГТД на базе функциональноориентированного подхода. Указанная схема может состоять из множества пунктов, обозначающих операции, действия и т.д., перечень которых в свою очередь будет определятся в зависимости от требований условий в которых проводится исследование. Блок-схема сокращѐнно содержит следующие пункты: - исследование особенностей разрушения ЛТ ГТД; - исследование действующих эксплуатационных функций; - анализ существующих технологических методов, применяемых для повышения качества лопаток турбины; - разработка общего подхода метода повышения ресурса; - классификация ФОП; -синтез метода повышения ЛТ ГТД; - составление алгоритма синтеза процесса. Так же в состав данной блок-схемы входят: - создание структуры синтеза процесса восстановления или напыления ФОП изучение; - планирование технологического процесса; - обеспечение технологического процесса; - разработка методов каждой стадии технологического процесса; - структурирование каждой операции в отдельности и в общем; - проведение эксперимента; - разработка рекомендаций по повышению ресурса ЛТ ГТД; - внедрение результатов работы в производство; - обеспечение новых функционально-ориентированных свойств. 4. Выводы В ходе проведѐнной работы была проведена следующая работа: 1. Изучена и предложена классификация ФОП для ЛТ ГТД, которая позволит на промежуточном этапе синтеза специальной технологии повышения ресурса ЛТ ГТД, разработать гипотетические структурные варианты ФОП, как основы способа повышения ресурса ЛТ ГТД на базе функционально-ориентированного подхода. 2. Разработан подход как основа способа повышения ресурса ЛТ ГТД на базе функционально-ориентированной технологии, сформирована структура и последовательность нанесения ФОП на ЛТ ГТД, с учѐтом особых принципов ориентации технологических воздействий. 3. Предложена блок-схема общего процесса исследования по повышению ресурса ЛТ ГТД на базе функционально-ориентированного подхода, с целью повышения ка-

103

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№ 1(64)’2019

чество условий труда, всестороннего обеспечения и прогрессивности результатов исследования. ЛИТЕРАТУРА 1. Михайлов, А. Н. Особенности технологического процесса повышения ресурса лопаток турбины авиационных двигателя на базе функционально-ориентированной технологии / А. Н. Михайлов, Т. В. Хавлин// Международный сборник научных трудов / «Прогрессивные технологии и системы машиностроения».– Донецк: ДонНТУ, 2017. – №1. – С. 84-100. 2. Михайлов, А. Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий машиностроения / А. Н. Михайлов – Донецк: ДонНТУ, 2009. – 347с. – ISNB 9667907-24-4. 3. Хавлин, Т. В. Исследование особенностей разрушения лопаток турбин авиационных двигателей [Электронный ресурс] / Т. В. Хавлин, А. Н. Михайлов, Д. А. Михайлов, А.П. Недашковский, В. В. Ткач, Е. С. Зиборов // Перспективные направления развития отделочно-упрочняющей технологии и виброволновых технологий: сборник трудов международной научно-технической конференции, посвященной 90-летию заслуженного деятеля науки и техники РФ, д.т.н., почѐтного профессора ДГТУ А. П. Бабичева (Ростов-на-Дону, 27 - 28 февраля 2018 г.) / Донской гос. техн. унт. – Электрон. тестовые данные. – Ростов-на Дону: ДГТУ, 2018. – С.182-185. 4. Хавлин, Т. В. Разработка метода повышения ресурса лопаток турбины вертолетного двигателя на базе функционально-ориентированного подхода / Т. В. Хавлин, А. Н. Михайлов, Д. А. Михайлов, В. А. Михайлов, С. В. Глухов // Материалы 4-й Международной научно-практической конференции Том 3. Инновационные технологии проектирования, изготовления и эксплуатации промышленных машин и агрегатов Инновационные перспективы Донбасса, г. Донецк, 22-25 мая 2018 г. – Донецк: ДонНТУ, – 2018. – С. 136-139. 5. Бартенев, С. С. Детонационные покрытия в машиностроении. / С. С. Бартенев, Ю. П. Федько, А. И. Григоров – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1982. – 215 с. ил. 6. Ненашев, М. В. Перспективные технологии, свойства и применение детонационных покрытий /М. В. Ненашев, С. Ю. Ганигин, А. Н Журавлев, А. С. Дьяконов, С. А. Белокоровкин, Д. Ю. Карякин // Вестник Самарского Государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. КОРОЛЁВА (национального исследовательского университета) № 3 (27) Часть 1 2011. – Самара: Издательство "Самарский университет", 2016 – С. 197-202. Поступила в редколлегию 13.02.2019 г.

104

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№1(64)’2019

СОДЕРЖАНИЕ Бутенко В. И., Шаповалов Р. Г. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ…………………………

Витренко В.А., Сыровой Г. В., Синдеева Е. В. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В СТРУКТУРЕ КОМПОЗИТНОГО СЛОЯ ДНИЩА МАЛОГАБАРИТНОГО КОРПУСА …………….……………………...

Грубка Р. М. КОНСТРУКТИВНЫЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ…………………

Ивченко Т. Г. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГАРАНТИРОВАННОГО УРОВНЯ БЕЗОТКАЗНОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ...

Киреев С.О., Кадеров Х.К., Заикин В.П. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРА МАСС ШАТУНА ПРИВОДА ПЛУНЖЕРНОГО НАСОСА………………………………………………………….

Киреев С.О., Корчагина М.В., Кадеров Х.К., Ефимов А.В. МОДЕРНИЗИРОВАННАЯ КОНСТРУКЦИЯ КОЛЬЦЕВОГО ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ПРЕВЕНТОРА С ТОРМОЗНЫМ УСТРОЙСТВОМ ПОРШНЯ……………………………………………………………………………….

Костенко А.В., Михайлов А.Н., Лукичев А.В. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ СУДОВЫХ АГРЕГАТОВ…………………………………………………………………………..

Марина В.Ю., Марина В.И. О ПРИЧИНАХ ЗАДЕРЖКИ ТЕКУЧЕСТИ………………………………………….. 52 Овчинников Е.В. ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ…………………………...

Пичко А.П., Михайлов Д.А., Шейко Е.А., Хавлин Т.В.,Колодяжный А.А., Михайлов А.Н., Михайлов А.Н. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА И ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ НА БАЗЕ ФУНКЦИОНАЛЬНООРИЕНТИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ И РАВЕНСТВА ИХ РЕСУРСОВ…………. 68 Съянов С.Ю. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

105

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

№1(64)’2019

ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ…………………………………………….

Съянов С.Ю., Папикян А.М. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОСВЯЗИ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ПРИ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКЕ…………………………………………….

Хавлин Т.В., Михайлов А.Н., Михайлов Д.А., Михайлов В.А., Глухов С.В. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ И СОСТАВЛЯЮЩИЕ ОБЩЕГО ПРОЦЕССА РАЗРАБОТКИ МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА ЛОПАТОК ТУРБИН ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ…………………………………………………

106

Прогрессивные технологии и системы машиностроения

ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ

Бутенко В. И. Витренко В.А.. Глухов С.В. Грубка Р. М. Ефимов А.В. Заикин В.П. Ивченко Т. Г. Кадеров Х.К. Киреев С.О. Колодяжный А.А. Корчагина М.В. Костенко А.В. Лукичев А.В. Марина В.И. Марина В.Ю. Михайлов А.Н. Михайлов В.А. Михайлов Д.А. Овчинников Е.В. Папикян А.М. Пичко А.П. Синдеева Е. В Съянов С.Ю. Сыровой Г. В. Хавлин Т.В., Шаповалов Р. Г. Шейко Е.А.

3 9 93 17 37 29 23 29, 37 29, 37 68 37 43 43 52 52 43, 68, 93 68, 93 68, 93 58 86 68 9 77, 86 9 68, 93 3 68

107

№1(64)’2019

ПРАВИЛА представления материалов в международный сборник научных трудов Донецкого национального технического университета «ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ» Международный сборник научных трудов Донецкого национального технического университета «Прогрессивные технологии и системы машиностроения» издается с 1994 года. В этом сборнике публикуются ученые и специалисты более чем из 30 стран мира. Сборник научных трудов является специальным изданием, научно-технические статьи которого проходят обязательное рецензирование. Данный сборник включен в следующие программы: 1. В сборнике могут публиковаться научно-технические статьи и результаты диссертационных работ. 2. Сборник имеет сайт http://ptsm.donntu.org, а также размещен на сайте кафедры «Технология машиностроения» ДонНТУ, г. Донецк: http://tm.donntu.org. 3. Сборник включен базу данных РИНЦ (Российский индекс научного цитирования) (лицензионный договор № 177-04/2013 от 12.04. 2013 г.) и размещен на сайте НЭБ (Научная электронная библиотека, г. Москва, Россия, http://elibrary.ru. 4. Данный сборник имеет международную индексацию ISSN 2073-3216 (печа-

тная версия) и ISSN 2518-7120 (сетевое издание) 5. Сборник был размещен на сайте Национальной библиотеки Украины им. В.И. Вернадского, г. Киев, Украина, http://archive.nbuv.gov.ua/portal/natural/Ptsm/index.html . 6. Сборник включен в перечень ВАК Украины (Затверджено постановою президії ВАК України від 16 грудня 2009 р. № 1-05/6 (Бюлетень ВАК України, № 1, 2010 р.)). Статьи представляемые в данный сборник должны отвечать следующим требованиям. Содержание статей должно отражать новые достижения науки и техники в области машиностроения, их практическое значение, соответствовать технической направленности сборника и представлять интерес для широкого круга специалистов. В статье должно быть кратко изложено то новое и оригинальное, что разработано авторами, показано преимущество перед аналогами предлагаемых разработок, описаны их особенности и практическая значимость. Результаты работы не должны представляться в виде тезисов. Ответственность за нарушение авторских прав, за несоблюдение действующих стандартов и за недостоверность в статье данных полностью несут авторы статьи. Присланные в редакционную коллегию статьи подвергаются обязательному рецензированию. Редакционная коллегия оставляет за собой право вносить в текст статьи изменения редакционного характера без согласования с авторами, а также не публиковать статьи, которые не отвечают нашим требованиям. Языки представления рукописей: русский, украинский и английский. ОСНОВНАЯ ТЕМАТИКА СБОРНИКА Тематика представляемых статей должна основываться на проблемах машиностроения (механики) и представляться в рамках следующих направлений: 1. Практика и перспективы создания и применения прогрессивных и нетрадиционных технологий машиностроения. Интегрированные технологии. Сборка в машино и

108

приборостроении. Абразивные и виброабразивные технологии. Гибридные и комбинированные технологии машиностроения. 2. Механизация и автоматизация производственных процессов машиностроения. Прогрессивное оборудование машиностроительных производств. 3. Комплексная автоматизация проектирования, подготовки и управления машиностроительным производством. 4. Проблемы создания и применения прогрессивных инструментов и инструментальных материалов в машиностроении. 5. Управление качеством продукции и технических систем машиностроения. Проблемы инженерии поверхностного слоя изделий. 6. Современные проблемы машиноведения и деталей машин. 7. Современные проблемы инженерии материалов. Упрочняющие технологии и покрытия изделий машиностроения. Наноматериалы и нанотехнологии в машиностроении. 8. Вопросы моделирования и расчетов сложных технологических систем машиностроения. В рамках сборника можно представлять рекламу продукции, которая будет помещена после рукописей статей. СОДЕРЖАНИЕ СТАТЕЙ Научно-технические статьи, представляемые в данный сборник должны иметь следующие элементы: - постановка проблемы в общем виде и ее связь с важными научными и практическими заданиями; - анализ последних достижений и публикаций, в которых начато решение данной проблемы, выделение нерешенных раньше частей общей проблемы, которым посвящается данная статья; - формулирование цели и постановка задач работы; - представление основного материала исследования с полным обоснованием полученных научных результатов, формулирование рекомендаций; - выводы по данному исследованию и перспективы дальнейшего развития данного направления. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ Для принятия решения о включении материалов Вашей статьи в сборник необходимо выслать в адрес редакционной коллегии следующее:  заявку и сведения об авторах статьи;  материалы статьи;  экспертное заключение о возможности публикации статьи в открытой печати;  все материалы отправляются по E-mail по адресам: tm@fimm.donntu.org или mntk21@mail.ru . ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ 1. Текст статьи выполняется объемом от 5 до 10 страниц (обязательно полные страницы), формат А4 (210х297 мм) с полями: верхнее и нижнее – 30 мм, а левое и правое - 25 мм. Страницы не нумеровать. Статьи оформить с применением редактора WinWord (не ниже версии 6,0) шрифтом Times New Roman, выполненным в соответствии с образцом оформления, межстрочный интервал - 1,0, шрифт – 12pt. Материалы представить в электронном виде.

109

2. Порядок оформления. Материалы должны отвечать следующей структурной схеме: УДК, инициалы и фамилии авторов, ученая степень и звание (сокращение по ГОСТ 7.11 и 7.12), полное название организаций и стран, тел./факс, E-mail, название статьи, аннотация на языке статьи, ключевые слова, основной текст, заключение или выводы, список литературы, дополнительные аннотации на других языках c ключевыми словами, внизу первой страницы необходимо указать авторский знак - ©. УДК печатать прописными (жирными) буквами в верхнем правом углу не отступая от верхнего поля. На следующей строке слева жирными строчными буквами – инициалы и фамилии авторов с учеными степенями и званиями, на следующих строках – полное название организаций и стран (через запятую, слева). На следующей строке курсивом слева – тел./факс и электронный адрес одного из авторов. Через один интервал - название статьи, печатать прописными (жирными) буквами, без переносов, центрировать по ширине, максимально три строки. Через один интервал - аннотации с ключевыми словами (слово аннотация не пишется) на двух языках шрифтом 10 pt, курсивом. Через один интервал – материалы статьи, шрифт 12 pt (язык изложения – по выбору авторов, межстрочный интервал 1,0). Внизу первой страницы статьи необходимо указать авторский знак - ©. Между соответствующими разделами статьи необходимо делать интервал. (См. образец оформления материалов). Абзац текста – 1,25. 3. Графический материал (рисунки, графики, схемы) следует выполнять в формате  .bmp, .gif,  .pсx, .dwg, .jpg - размерами не менее 60х60 мм внедренными объектами (по ходу материалов). Все позиции, обозначенные на рисунке, должны быть объяснены в тексте. Позиции на рисунке должны располагаться по часовой стрелке. Под каждым рисунком указывается его номер и название, например: Рисунок 3. Схема устройства. Текст названия рисунка группируется с рисунком. Каждый рисунок должен иметь один интервал сверху и снизу. 4. Формулы и математические знаки должны быть понятны. Показатели, степени и индексы должны быть меньше основных знаков и выполняться в соответствии с редактором формул Microsoft Equation. Формулы номеруются (справа в круглых скобках, не отступая от правого поля), только в том случае, если на них в тексте имеются ссылки. Между крайними знаками формулы и текстом должен выполняться один интервал. Формулы выполняются курсивом. Стиль формул для Microsoft Equation: Full - 12 pt, Subscript/Superscript - 10 pt, Sub-Subscript/Superscript - 8 pt, Symbol - 12 pt, Sub-Symbol - 10 pt. 5. Все таблицы должны иметь название и порядковый номер и располагаться после упоминания по тексту, например: Таблица 2. Классификация муфт. Каждая таблица должна иметь один интервал сверху и снизу. 6. Список литературы должен быть приведен в конце статьи в соответствии с ГОСТ 7.1-2003 . Перечень ссылок должен быть составлен в порядке упоминания в тексте. Ссылки на литературу заключается в квадратные скобки. Количество библиографических источников должно быть не менее 5, в том числе 3 источника должно быть за последние 5 лет. 7. Файл со статьей необходимо назвать по фамилиям и инициалам авторов в соответствии с работой (например: Иванов И.И., Петренко П.П.) 8. Материалы статьи представляются в электронном виде. 9. Материалы, не отвечающие перечисленным требованиям и тематике данного сборника, а также поступившие в редакционную коллегию с опозданием, опубликованы не будут.

110

СТАТЬИ ДОЛЖНЫ ИМЕТЬ СЛЕДУЮЩУЮ СТРУКТУРУ:

1. УДК (Например, УДК 621.01) (располагать вверху справа, шрифт жирный, 12 pt). 2. Инициалы и фамилии авторов (cлева, шрифт жирный, 12 pt), ученая степень и звание, затем на следующей строке - полное название организаций и стран (слева, 12 pt), на следующей строке – Тел./факс и электронный адрес (слева, курсив, 12 pt). 3. Название статьи (слева, шрифт жирный, 12 pt, максимум три строки). 4. Пустые строки, межстрочный интервал и размеры шрифта статьи. Пустые строки выполняются между названием статьи - вверху и внизу, перед соответствующими разделами работы (один пробел) и списком литературы, а также между дополнительной аннотацией вверху и внизу. Межстрочный интервал – 1,0. Размер шрифта статьи - 12 pt, размер шрифта аннотаций и авторского знака - 10 pt. 5. Аннотации (Abstract) (слово аннотация не пишется), (курсив, 10 pt). Первая аннотация пишется на языке статьи, а вторая на английском, если статья на английском языке, первая аннотация пишется на английском языке, а вторая – на русском языке. В аннотации приводятся краткие сведения о всей статье в целом на языке статьи. Объем аннотаций приблизительно до 10 строк, аннотация выполняется курсивом. 6. Ключевые слова (Keywords) (приводится 5-6 ключевых слов статьи), выполняются курсивом на следующей строке от аннотации. (курсив, 10 pt) 7. Введение (Introduction). (12 pt) Во введении приводится аналитический (исторический) обзор современного состояния вопроса исследования, выполняется постановка проблемы исследования или показывается актуальность данного исследования (работы). Здесь нужно обязательно указать результаты последних исследований других авторов. А также сформулировать цель и задачи исследований. 8. Основное содержание и результаты работы (The main contents and outcomes of activity). (Авторы могут дополнять работу другими разделами) (12 pt). В данном разделе излагаются и подробно разъясняются полученные авторами теоретические положения и практические результаты. Приводятся принятые гипотезы и используемые допущения, разъясняются малоизвестные термины, аббревиатуры и условные обозначения. Для теоретических положений приводятся их доказательства и необходимые математические преобразования. Для экспериментальных исследований кратко описываются методики их проведения, способы обработки данных и результаты проверок адекватности и достоверности результатов. 9. Авторский знак. Внизу первой страницы статьи необходимо указать авторский знак - ©. Например: © Иванов И.И., Петренко П.П.; 2017 (10 pt). 10. Заключение (Conclusion) (12 pt) В заключении излагаются выводы по полученным авторами результатам, описываются примеры их практического применения, предлагаются рекомендации относительно их использования, приводятся выводы, а также указываются перспективы дальнейших исследований по данной проблематике. 11. Литература (References). (12 pt) Список литературных источников должен быть составлен в порядке ссылок на них. Ссылки на литературу в тексте статьи заключаются в квадратные скобки. Количество библиографических источников должно быть не менее 5-6, в том числе 3 источника должно быть за последние 5 лет.

111

АДРЕС РЕДАКЦИОННОЙ КОЛЛЕГИИ: ДНР, 283001, г. Донецк, ул. Артема, 58, ДонНТУ, кафедра «Технология машиностроения», Редакционная коллегия сборника. Тел./факс: +38 062 305-01-04. E-mail: tm@fimm.donntu.org или mntk21@mail.ru http://ptsm.donntu.ru

 Публикация статей в международном сборнике научных трудов «Прогрессивные технологии и системы машиностроения» - бесплатно

Образец оформления материалов

УДК 621.85.05-034(12 pt) И. И. Иванов, д-р техн. наук, проф., П. П. Петренко, асcист. (12 pt) Донецкий национальный технический университет (12 pt) Брянский государственный технический университет, Россия (12 pt) Тел./Факс: +38 (062) 3050104; E-mail: tm@fimm.donntu.org (курсив, 12 pt) (пустая строка - 12 pt) ОСНОВЫ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА СБОРОЧНЫХ СИСТЕМ (слева, 12 PT, ЖИРНЫМ, ЗАГЛАВИЕ МАКСИМУМ ТРИ СТРОКИ) (пустая строка - 12 pt) В статье приведены данные по структурному синтезу сборочных ……………………………………... ………… уравнений описывающих процесс сборки изделий. (курсив, 10 pt, до 10 строк). Ключевые слова: структура технологии, синтез, процесс, технология, сборка. (курсив, 10 pt, 5 …6 слов) (пустая строка - 10 pt) I. I. Ivanov, P. P. Petrenko (10 pt) (10 pt) BASES OF THE STRUCTURED SYNTHESES OF THE ASSEMBLY SYSTEMS (10 pt) The efficient design of assembly machinery is vitally important …………………………………………………………….. …………………………………………as noun description of functions of presented in the paper. Keywords: structured syntheses, process of the assembly, technological system. (курсив,10 pt)

(пустая строка - 12 pt) 1. Введение (12 pt) Сборочные системы являются сложными иерархическими системами. Одним из условий [1] повышения производительности … сборочных технологических систем (рис. 5). Технологические системы …………………………………………………………………... (пустая строка - 12 pt) 2. Основное содержание и результаты работы (12 pt) Для сборки изделий широко применяются технологические системы ……………… информационные и другие потоки могут быть описаны следующим образом:

kт  a 2  b 2 ,

(1)

где km - элемент множества; …………………………………………………….……………………………………………….

112

……………….. позволили разработать общие алгоритмы функционирования системы. (пустая строка - 12 pt) 3. Общий алгоритм и рекомендации (12 pt) Выполненные исследования позволили разработать общий алгоритм ……………… ………………………………………………. основывается на итерационном подходе. (пустая строка - 12 pt) 4. Цифровые модели (12 pt) В работе разработаны цифровые структурно-логические модели структуры сборочных систем, выполненные с применением основных положений алгебры структур …... (пустая строка - 12 pt) 5. Заключение (12 pt) Таким образом, выполненные исследования позволили реализовать следующее: 1. Разработать методику синтеза структурных вариантов ………………………….... ……………………………….. отличительной особенностью данной методики. 2. Установить закономерности ………………………………………………………..... ………………………………… позволили произвести процесс итерации. 3. Разработать рекомендации …………………………………………………………… © Иванов И.И., Петренко П.П.; 2016 (приводится внизу первой страницы статьи, 10 pt))

…………………………………. внедрить на производстве. (пустая строка - 12 pt) ЛИТЕРАТУРА: (центрировать,12 pt, не менее 5 … 6 библиографических источников)

1. Ким, И. П. Исследование эффективности роторных машин / И. П. Ким. – К: КПИ, 1985. – 123 с. ISBN 966-7907-22-8. 2. Устюгов, А. В. Надежность технологических машин / А. В. Устюглв. – Донецк: ДонНТУ, 1998. – 425 с. ISBN 966-7907-23-6. 3. Савельев, А. А. Сборка машин / А. А. Савельев – М.: Наука, 2009. - 342 с. ISBN 966-7907-26-9. 4. Михайлов, А. Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий /А. Н. Михайлов – Донецк: ДонНТУ, 2009. – 346 с. ISBN 966-7907-24-4. 5. Базров, Б. М. Модульные технологии / Б. М. Базров. – М.: Машиностроение, 2000. – 368 с. ISBN 5-217-03061-5. 6. Сидоров, И. А. Учет переменности параметров процесса точения фасонных поверхностей при определении оптимальных режимов резания / И.А. Сидоров, А.Н. Алехин //Наукоемкие технологии в машиностроении: ежемесячный научно-технический и производственный журнал. – М: Машиностроение. – 2014. - № 9. – С. 11-17. 7. Любшин, А. Н. Особенности полировки лопаток с коррозионными разрушениями покрытий /А. Н. Любшин, А. Н. Шейко, Б. Л. Недашковский // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных работ. – Донецк: ДонНТУ, 2013. – Вып. 1 (25). – С. 207-212 пустая строка - 12 pt) Поступила в редколлегию _____________________ (дата поступления статьи, 10 pt)

113

НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ

ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ Выпуск 1 (64)’ 2019

Главный редактор д-р техн. наук, проф. А.Н. Михайлов E-mail: tm@fimm.donntu.org Технический редактор Л. Б. Ступакова

Учредитель и издатель – Донецкий национальный технический университет Адрес издателя: ДНР, 83001, г. Донецк, ул. Артема, 58, ГОУ ВПО «ДонНТУ», +38 (062) 337-17-33, 335-75-62 Адрес редакции: ДНР, 83001, г. Донецк, ул. Артема, 58, тел. +38 (062) 301-08-05, (062) 301-08-40. E-mail: tm@fimm.donntu.org. Сайт: http://ptsm.donntu.org Сборник (E) зарегистрирован в Министерстве информации Донецкой Народной Республики.