авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 |
-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение

высшего профессионального

образования

«Тульский государственный университет»

ISSN 2071-6168

ИЗВЕСТИЯ

ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО

УНИВЕРСИТЕТА

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Выпуск 3

Тула

Издательство ТулГУ 2012 ISSN 2071-6168 УДК 621.86/87 Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. 402 с.

Рассматриваются научно-технические проблемы в области машино строения и машиноведения, технологии и оборудования обработки метал лов давлением, управления, вычислительной техники и информационных технологий, транспорта.

Материалы предназначены для научных работников, преподавате лей вузов, студентов и аспирантов, специализирующихся в проблематике технических наук.

Редакционный совет М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, В.В. ПРЕЙС – главный редактор, А.А. МАЛИКОВ – отв. секретарь, И.А. БАТАНИНА, О.И. БОРИСКИН, В.И. ИВАНОВ, Н.М. КАЧУРИН, Е.А. ФЕДОРОВА, А.К. ТАЛАЛАЕВ, В.А. АЛФЕРОВ, В.С. КАРПОВ, Р.А. КОВАЛЁВ, А.Н. ЧУКОВ Редакционная коллегия О.И. Борискин (отв. редактор), А.Н. Карпов (зам. отв. редактора), Р.А. Ковалев (зам. отв. редактора), А.Н. Чуков (зам. отв. редактора), С.П. Судаков (выпускающий редактор), Б.С. Яковлев (отв. секретарь), И.Е. Агуреев, А.Н. Иноземцев, С.Н. Ларин, Е.П. Поляков, В.В. Прейс, А.Э. Соловьев Подписной индекс по Объединённому каталогу «Пресса России»

«Известия ТулГУ» входят в Перечень ведущих научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых должны быть опубликованы научные результаты диссертаций на соискание учёной степени доктора наук © Авторы научных статей, © Издательство ТулГУ, МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ УДК 621.313.062- Е.В. Кузьмицкий, асп., 89037183785, jackuzm@mail.ru (Россия, Москва, МГТУ «МАМИ»), В.В. Лохнин, д-р техн. наук, проф., 89037183785, jackuzm@mail.ru (Россия, Москва, МГТУ «МАМИ»), И.А. Бербиренков, канд. техн. наук, 89037183785, jackuzm@mail.ru (Россия, Москва, МГТУ «МАМИ») ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ В ТЯГОВОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ Предлагается перенести широтно-импульсную модуляцию в силовые транзи сторы бортового вентильного преобразователя для эффективного регулирования частоты вращения двигателя.

Ключевые слова: вентильный электропривод, низкая частота вращения, бор товой вентильный преобразователь, вентильный двигатель.

К настоящему времени известны три фактора, вызывающие неус тойчивые режимы работы вентильного электропривода на низких частотах вращения, одним из которых является шаговый режим работы: наличие зубчатого слоя на статоре, колебания ротора, например, при сбросе или наборе нагрузки и специфика работы вентильного преобразователя.

Исследования магнитного поля в активной зоне двигателя с зубча тым статором проводились методом гармонического анализа (1). При этом обнаружено, что параметры двигателя будут иметь пульсации, вызванные поперечным качанием магнитного поля при вращении ротора. Наибольшие пульсации получим в том случае, если ширина полюсов будет содержать целое число зубчатых делений статора. Для ослабления этих пульсаций Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. целесообразно скашивать пазы статора на одно зубчатое деление по оси полюса или же скашивать край полюса при прямых зубцах статора.

Если зубчатое деление не укладывается целое число раз в полюсной дуге, то при вращении ротора магнитное сопротивление воздушного зазора периодически меняется и это вызывает колебания магнитного потока. При чётном числе пазов изменение магнитной проводимости под одним полю сом частично компенсируется соответствующим изменением магнитной проводимости под другим полюсом и абсолютная величина пульсации уменьшается. Скос пазов на статоре или полюсных наконечников на рото ре на одно зубчатое деление уничтожает периодические изменения маг нитного сопротивления воздушного зазора. При малой величине рабочего зазора пульсации увеличиваются и, соответственно, при его увеличении – уменьшаются. Полностью указанные пульсации отсутствуют при выпол нении гладкого статора.

При качениях или колебаниях двигателя его ротор вращается нерав номерно, и частота его вращения колеблется с некоторой частотой около среднего значения.

Колебания угла нагрузки, в свою очередь, неразрывно связаны с колебанием величин мощности и тока статора.

Такие колебания возникают при любых внезапных или резких нару шениях, или изменениях режима работы (наброс или сброс нагрузки, рез кое изменение напряжения питания и т.д.).

Уравнения моментов при колебании имеют вид Ми + Му + Мс = 0, (1) где Ми – инерционный момент;

Му – успокоительный момент;

Мс – син хронизирующий момент.

Если амплитуда колебаний угла наклона мала, то дифференциаль ное уравнение движения ротора является линейным и имеет простое ре шение, позволяющее выяснить существенные особенности колебательного процесса двигателя.

Выражение (1) при малых колебаниях после математических пре образований принимает вид Y d 2 d = 0, +M +M (2) ут ст dt p dt где - приращение угла нагрузки;

p - число пар полюсов ротора;

Y - мо мент инерции;

Муm и Mcm - коэффициенты при успокоительном и синхро низирующем моментах.

Решением выражения (2) будет = C 1e + C 2e + +, 1 где С1 и С2 - постоянные интегрирования;

1 и 2 - корни характери стического уравнения Машиностроение и машиноведение Y +M + М = ут ст p и pM p 2 М ст pM 1, 2 = ± ут ст.

4Y 2Y Y Итак, + j 0 ;

2 = j 0, 1 = Tk Tk 2Y Tk = где есть постоянная времени затухания колебания, а pM ут p M ст p M ут 2 0 = 2f 0 = - угловая частота свободных или собствен 4Y Y ных колебаний двигателя. В работе [1] показано, что в вентильном двига теле наличие обратных связей по датчику частоты вращения обеспечивает, именно, малые колебания двигателя, которые эффективно могут гасить, увеличенным инерционным и демпфирующим моментами (1).

Бортовой вентильный преобразователь (БВП) в тяговом приводе выполняется на транзисторах и поэтому длительность коммутационного процесса мала. В этот случае работа привода сопровождается цикличе ским перебором секций обмотки статора, подключенных на произвольном интервале к источнику питания. Причём, число и характер соединений элементов статорной обмотки от интервала к интервалу не изменяется, изменяется только номера секций, участвующих на последующих интерва лах в процессе преобразования энергии.

Если анализировать работу вентильного двигателя с позиции вра щающегося магнитного поля, то при несинусоидальном токе двигателя это поле будет создаваться первыми гармоническими ряда Фурье токов фаз статора.

Замечено, что при уменьшении скважности импульсов тока, питаю щих обмотку статора, первая гармоническая тока будет перемещаться на угол = var, относительно положения первой гармонической тока при скважности равной единице (рис. 1).

Таким образом, при уменьшении скважности импульсов возрастает величина угла и резко падает мощность двигателя с последующей поте рей устойчивого вращения.

Если же рассматривать работу вентильного двигателя от источника импульсов тока переменной скважности, то при уменьшении скважности импульсов наступает режим прерывистых токов и работа вентильного дви гателя может быть рассмотрена с позиции работы шагового двигателя.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. i U, i U U i = 1/ t = Рис. 1. Широтно-импульсное регулирование частоты вращения вентильного двигателя ( – угол смещения первой гармонической тока) На рис. 2 показана диаграмма работы вентильного двигателя с не прерывным и прерывистым токами фаз.

Известно, что вентильный двигатель является по управлению анало гом двигателя постоянного тока и при питании его от источника постоян ного тока с амплитудным регулированием напряжения имеет практически неограниченный диапазон регулирования частоты вращения с устойчивой работой во всём диапазоне регулирования. Структура такого вентильного двигателя приведена на рис. 3.

Недостатком такого вентильного двигателя является наличие тран зисторного регулятора Р, рассчитываемого не полную мощность двигате ля.

Если же перенести высокочастотную ШИМ непосредственно в сило вые транзисторы БВП, то несмотря на несколько усложнённую схему управления БВП, мы избавляемся от звена Р в структурной схеме рис. 3.

Машиностроение и машиноведение U, i U i a) t U, i U i б) t Рис. 2. Диаграммы токов и напряжений вентильного двигателя:

а - работа с непрерывным током;

б - работа с прерывистым током СД ИП Р БВП ДПР ТГ СУ Рис. 3. Структура вентильного двигателя с регулятором амплитуды питающего напряжения: ИП – источник питания постоянного напряжения;

Р – транзисторный регулятор ШИМ;

БВП – бортовой вентильный преобразователь;

СД – синхронный двигатель;

ДПР – датчик положения ротора;

ТГ – тахогенератор;

СУ – система управления БВП Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. Выводы 1. Неустойчивые режимы работы вентильного привода смогут быть вызваны неправильным соотношением зубцов статора и полюсов ротора двигателя, качаниями его ротора и работой бортового вентильного преоб разователя.

2. В вентильном двигателе наличие обратных связей по датчику по ложения ротора и таходатчику ограничивают колебания ротора малыми амплитудами и такие колебания эффективно гасятся варьированием инер ционного и демпфирующего моментов.

3. Традиционная структура вентильного двигателя с регулированием его частоты вращения ШИМ на чистоте питания не обеспечивает необхо димый диапазон регулирования частоты вращения, характерный для тяго вых двигателей.

4. Амплитудное регулирование напряжения источника питания по стоянного тока с введением высокочастотной ШИМ (частота такого регу лирования – десятки кГц) переносом в силовые ключи БВП обеспечивает эффективное регулирование частоты вращения привода практически в не ограниченном диапазоне.

Список литературы 1. Бербиренков И.А. Обеспечение устойчивой работы тяговых вен тильных электроприводов на низких частотах вращения: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: МГТУ «МАМИ», 2011. 20 с.

2. Тяговые электроприводы и устройства энергообеспечения авто транспортных средств / Е.М. Овсянников [и др.]. М.: Изд-во «Палеотип», 2009. 244 с.

E.V. Kuzmitsky, V.V. Lohnin, I.А. Berbirenkov THE WORK FEATURES OF THE VALVE ENGINE IN TRACTION ELECTRIC DRIVE For effective regulation the frequency of the engine’s rotation the transfer of the pulse-width modulator into the power transistors of the onboard valve converter is offered.

Key words: ventilny electric drive, low frequency of rotation, onboard ventilny converter, ventilny engine.

Получено 07.02. Машиностроение и машиноведение УДК 631. Л.В. Федорова, д-р техн. наук, проф., 8(8422)55-95-97, materialoved73@mail.ru (Россия, Ульяновск, УГСХА), А.В. Морозов, канд. техн. наук., доц., 8(8422)55-95-97, materialoved73@mail.ru (Россия, Ульяновск, УГСХА), В.А. Фрилинг, асп., 8(8422)55-95-97, friling.vladimir@mail.ru (Россия, Ульяновск, УГСХА) ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА НА МИКРОТВЕРДОСТЬ ПРИ ИЗБИРАТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ЗАКАЛКЕ ТРИБОНАГРУЖЕННОГО УЧАСТКА ОТВЕРСТИЯ Рассмотрены причины потери работоспособности гладких цилиндрических подвижных сопряжений, испытывающих одностороннюю радиальную нагрузку. Вы полнены экспериментальные исследования, направленные на выявление зависимости глубины и микротвердости поверхностей после избирательной электромеханической закалки от содержания углерода.

Ключевые слова: опорное отверстие, износ, цилиндрические сопряжения, за калка, инструмент, микротвердость, белый слой В конструкциях машин и механизмов различного назначения боль шое распространение имеют гладкие цилиндрические подвижные сопря жения [1, 2].

Основная проблема опорных поверхностей отверстий данных со пряжений - неравномерность распределения контактного давления, и как следствие, неравномерный износ трибонагруженного участка отверстия. В этой связи актуальной является разработка новых технологий повышения износостойкости контактного участка цилиндрических отверстий. С целью снижения интенсивности изнашивания опорного отверстия детали в усло виях кафедры «Материаловедение и технология машиностроения» Улья новской ГСХА разработана технология избирательной электромеханиче ской закалки (ИЭМЗ) (рис. 1). Данная технология заключается в воздействии концентрированным потоком энергии на трибонагруженный участок посредством фасонного бронзового инструмента, перемещающе гося вдоль оси отверстия.

Для выявления влияния процентного содержания углерода на сте пень прокаливаемости при ИЭМЗ были проведены экспериментальные исследования, направленные на установление взаимосвязи между глуби ной и твердостью закаленного участка в зависимости от содержания угле рода при различном термомеханическом воздействии на материал.

Твердость поверхности является одним из основных показателей упрочнения материала, поскольку непосредственно характеризует проч ностные свойства поверхностного слоя.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. В качестве образцов для исследования были изготовлены втулки с диаметром отверстия d = 25 мм, наружным диметром D = 45 и высотой h = 50 мм из стали 45, 30Х и чугуна СЧ 20 (рис. 2, а).

Рис. 1. Схема процесса избирательного электромеханической закалки поверхности отверстия:

1 - персональный компьютер;

2 - инструмент;

3 – втулка;

4 – оправка Отверстия образцов обрабатывались развертыванием до шерохова тости Ra 2,5, так как такая чистота соответствует поверхностям большин ства рассматриваемых сопряжений.

Режимы избирательной электромеханической закалки представле ны в таблице.

Режимы при избирательной электромеханической закалке Скорость Усилие № обработки, Сила тока, А прижатия инстру п/п мента Р, Н мм/мин 1 500 17 2 700 17 3 900 17 Машиностроение и машиноведение После ИЭМЗ отполированную торцевую поверхность втулки про травливали четырехпроцентным раствором азотной кислоты в этиловом спирте.

В результате исследования торцевой поверхности втулки при по мощи микроскопа МИМ-7 была выявлена белая нетравящаяся зона повы шенной твердости (рис. 2, б). В структуре белого слоя при наблюдении в оптический микроскоп различимы крайне мелкие карбиды, не успевшие раствориться в ходе высокоскоростного нагрева.

Это объясняется тем, что в зоне высокотемпературного воздействия диффузия кислорода и азота в поверхностный слой исключается, посколь ку процесс происходит мгновенно. При этом фазовые превращения не со вмещаются с пластическими деформациями, вследствие того, что усилие прижатия инструмента к обрабатываемой поверхности отверстия невели ко.

Измерение микротвердости по локальным объемам поверхностного слоя проводилось на приборе ПМТ-3М в соответствии с ГОСТ 9450- 76 [3] при нагрузке на индентор 0,1 Н.

В процессе измерения оценивалась микротвердость упрочненного слоя (рис. 3).

а б Рис. 2. Экспериментальные образцы:

а – чертеж втулок для исследований;

б – распределение упрочненной зоны после обработки Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. а б Рис. 3. Микроструктура поверхностного слоя после избирательной электромеханической закалки:

а - стали 45;

б - чугуна СЧ Результаты измерения глубины и твердости упрочненного слоя в за висимости от режимов представлены на графиках (рис.4).

Как видно из графиков, при одинаковом термомеханическом воз действии по мере увеличения содержания углерода в обрабатываемых об разцах, степень поверхностного упрочнения, характеризуемая относитель ным увеличением поверхностной микротвердости, возрастает.

Рассмотренные различия во влиянии содержания углерода в мате риале на характер поверхностного упрочнения могут объясняться различ ными механизмами поверхностного упрочнения при данном методе обра ботки.

Машиностроение и машиноведение а б в Рис. 4. Распределение микротвердости по глубине в зависимости от силы тока и содержания углерода:

а - I = 500А, P = 17Н, = 120 мм/мин;

б - I = 700А, P = 17Н, = 120 мм/мин;

в - I = 500А, P = 17Н, = 120 мм/мин Упрочнение поверхностного слоя материала обеспечивается за счет формирования высокопрочной структуры при протекании в локальном объеме материала структурных и фазовых превращений. Ответственным за формирование упрочненного слоя является содержание углерода в мате риале, с увеличением которого снижается температура мартенситного пре Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. вращения и повышаются прочностные свойства материала. Следует отме тить, что в зависимости от содержания углерода возможно получение по верхности, упрочненной ИЭМЗ с определенными предельными прочност ными характеристиками, которые невозможно увеличить при дальнейшем повышении температурно-силовых условий обработки.

С уменьшением содержания углерода в материале затрудняется протекание структурных и фазовых превращений в поверхностном слое при ИЭМЗ.

Таким образом, прочностные свойства поверхностного слоя мате риала при ИЭМЗ в значительной мере зависят от содержания углерода в сплаве.

Исходя из вышеизложенного, ИЭМЗ является более эффективным методом упрочнения применительно к изделиям из средне- и высокоугле родистых сталей.

Рассмотренные различия во влиянии содержания углерода в мате риале на характер поверхностного упрочнения при ИЭМО могут объяс няться различными механизмами поверхностного упрочнения при данном методе обработки.

Список литературы 1. Морозов А.В., Фрилинг В.А. Характер эксплуатационного износа гладких цилиндрических подвижных сопряжений применяемых в сельско хозяйственной технике// Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения: сб. материалов III Междунар. науч.-практ. конф. Ульяновск, 2011. С. 271 – 275.

2. Морозов А.В., Фрилинг В.А., Салов В.Б. Анализ причин и харак тера износа отверстия коромысла клапана ГРМ двигателя Камаз 740.11 240//Техника и технологии: пути инновационного развития: сб. материалов междунар. науч.-практ. конф. Курск, 2011. С. 93–96.

3. ГОСТ 30480-97 Измерение микротвердости вдавливанием алмаз ных наконечников.

L.V. Fedorova, А.V. Mprozov, V.A. Friling INVESTIGATION OF THE EFFECT OF CARBON ON THE ELECTION MICROHARDNESS ELECTROMECHANICAL HARDENING TRIBONAGRUZHENNOGO SITE HOLE The reasons for loss of efficiency of smooth cylindrical movable joints undergoing unilateral radial load is discussed. Experimental studies aimed at identifying the dependence of the depth and microhardness of the surface after the election of electromechanical hardening on the carbon content.

Key words: reference hole wear, cylindrical interface, training, tools, microhardness, white layer Keywords: the Basic aperture, deterioration, cylindrical inter faces, training, the tool, microhardness, a white layer.

Получено 07.02. Машиностроение и машиноведение УДК 539. А.Л. Каменева, канд. техн. наук, доц., (342)2242405, annkam789@mail.ru (Россия, Пермь, ПНИПУ) РОЛЬ ФАЗОВОГО И ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА TiхZr1-хN СИСТЕМЫ В ФОРМИРОВАНИИ ЕЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ Установлены закономерности изменения трибологических свойств в зависи мости от фазового и элементного состава TiхZr1-хN систем. Получена нанокристалли ческая TiхZr1-хN система с уникальным комплексом свойств: I П =0,86·10-5 мгН-1 м-1, m I П =0,08·10-4 мм3 Н-1 м-1, I К =0,12·10-8 мм3 Н-1 м-1, f=0,07.

V V Ключевые слова: TiхZr1-хN система, ионно-плазменные методы, фазовый и эле ментный состав, трибологические свойства.

Введение Опыт эксплуатации и результаты испытаний технологического ин струмента и пар трения (ТИ и ПТ) показывают, что основными причинами их преждевременного выхода из строя являются повышенные износы или задиры трущихся поверхностей. Повышение надежности и ресурса ТИ и ПТ возможно путем нанесения на их поверхность износостойких пленок с высокими антифрикционными свойствами. В настоящее время на различ ных этапах получения пленок используются различные технологические приемы для стабилизации их структуры. Например, равномерным нагре вом с минимальным теплоотводом в приспособление устраняют последст вия предшествующих операций и переходов технологического цикла изго товления ТИ и ПТ [1, 2];

бомбардировкой поверхности конденсации высокоэнергетичными ионами методом ионной имплантации уменьшают внутренние напряжения в пленках [3, 4], обработкой отжигом при темпе ратуре выше температуры нанесения на завершающей стадии процесса по лучения пленок уменьшают в них остаточные напряжения [5-7]. Однако для улучшения трибологических (износостойких и антифрикционных) свойств пленок также необходима стабилизация их фазового и элементно го состава, зависящего от технологических и температурных параметров процесса формирования пленки.

Целью настоящей работы является установление роли фазового и элементного состава в формировании трибологических свойств пленки на основе TiхZr1-хN системы и их улучшение за счет оптимизации технологи ческих и температурных параметров процесса ее формирования.

Методика эксперимента Поверхность всех тестовых образцов из ВК8 и Ст3 (подложка) под вергали ионной очистке - нагреву одним электродуговым испарителем с титановым катодом. Для получения пленок на основе TiхZr1-хN системы (в Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. дальнейшем TiхZr1-хN система) различного фазового и элементного состава увеличивали температуру (Тс, К) и скорость нагрева системы (Vн.с., К/мин) в процессе ее осаждения, либо изменяли материал и количество осаждае мых слоев. Температуру (Тп, К), скорость (Vн.п., К/мин) и степень равно мерности нагрева подложки и, как следствие, начальную температуру Т с увеличивали без изменения времени ионной очистки за счет повышения величины высокого напряжения (Uвыс, В) или проведения предварительной продолжительной низкотемпературной обработки подложки в тлеющем и/или магнетронном разрядах, либо за счет повышения продолжительно сти ионной очистки (t, мин) с постепенным подъемом величины Uвыс (табл.

1). Скорость нагрева поверхности TiхZr1-хN системы (Vн.с., К/мин) в про цессе ее осаждения увеличивали за счет изменения основных технологиче ских параметров (ТехП): давления газовой смеси (Р, Па), напряжения сме щения на подложке (Uсм, В), содержания азота в газовой смеси (N2, %), расстояния мишень-подложка (L, мм) (случай осаждения системы магне тронным распылением (МР)), проведения ионной бомбардировки проме жуточных слоев Ti,Zr (случай осаждения системы электродуговым испаре нием (ЭДИ)), одновременного или попеременного использования нескольких различных типов источников плазмы (случай осаждения сис темы комбинированным методом (МР+ЭДИ)) (табл. 1). За постоянные ТехП принимали: N – мощность магнетронного разряда, кВт;

Iд – ток ду ги, А. Температуру поверхности неподвижной подложки после ионной очистки, осаждения подслоя Ti (или Ti,Zr) и TiхZr1-хN системы определяли с использованием инфракрасного бесконтактного пирометра «Термикс».

Фазовый состав устанавливали по дифрактограммам, полученным с участков TiхZr1-хN систем с использованием дифрактометра ДРОН-4 в Co К излучении при напряжении 30 кВ, токе 20 мА, угловом интервале съемки 2 = 30-130°, шаге 0,1° и экспозиции в точке 4 с. Фазовые измене ния в сформированных TiхZr1-хN системах оценивали объемными долями входящих фаз: кубических TiZrN2, TiN (в дальнейшем VTiZrN2, VTiN, c TiZrN2 и c-TiN) и орторомбической Zr3N4 (в дальнейшем VZr3N4, Zr3N4), на правлениями преимущественной кристаллографической ориентации и сте пенью текстурированности Т = maxI111 / I TiхZr1-хN системы. Для опреде ления концентрации титана, циркония и азота в TiхZr1-хN системе проводили локальный химический анализ с использованием растрового электронного микроскопа BS 300 с приставкой для микроанализа EDAX Genesis 200 и количественный микрорентгеноспектральный анализ - мик рорентгеновского анализатора типа МАР-3 при ускоряющем напряжении 20кВ, токе зонда 20 нА и размере зонда 5мкм.

Трибологические испытания тестовых образцов с TiхZr1-хN система ми проводили по схеме «палец-диск» на машине трения (рис. 1);

профило граммы поверхности TiхZr1-хN систем получали и обрабатывали с исполь зованием высокоточного кругломера MarForm MMQ 400, оснащенного Машиностроение и машиноведение программой MarShell MarWin. Условия проведения трибологических ис пытаний: материал пальца (контртела) – ВК8, радиус сферы контртела - R = 6,5 ± 0,25 мм, осевая нагрузка на три пальца – Fa=175 Н, линейная ско рость скольжения пальца – V=0,68 м/с, путь трения Lт = 1500 м, радиус кольца износа TiхZr1-хN системы – r = 7 мм, продолжительность испытания – t=740 с, среда испытания – СОЖ, температура – T=20 ± 10С [8]. Анти фрикционные: коэффициент (f) и момент трения (Мтр) и износостойкие свойства TiхZr1-хN системы: массовый износ (m), объем лунки износа (Vп), приведенный износ по массе ( I m ) и объему ( I V );

изнашивающую П П способность TiхZr1-хN системы по отношению к контртелу: скорость изно са контртела (VК), приведенный износ контртела по объему ( I V ) определя К ли по формулам M ТР Fд l д f= = ;

m=m1 – m2, I m =m/(Fa·Lт ), Vп=dп/t, VП = D S [8];

Fa r Fa r П 2 2 2 1/ I V = Vп/(Fa·Lт ), I V = Vк/(Fa·Lт), Vк=*h (R-1/3h), h=R-(R -d /4) [9, 10], П К где Fд – сила, действующая на тензометрический датчик, Н;

lд – расстояние от оси вращения держателя 5 до тензометрического датчика силы (рис. 1), мм;

m1 и m2 – вес образца с TiхZr1-хN системой до и после испыта ний (погрешность взвешивания ± 0,15 мг), мг;

для TiхZr1-хN системы: D – диаметр и S - средняя площадь сечения лунки износа;

dп – диаметр пятна износа, мм;

для контртела: Vк - потеря объема, (мм3);

h – высота изно шенного сегмента (мм), d – диаметр пятна износа, мм.

Рис. 1. Машина трения для трибологических испытаний по схеме «палец-диск»: 1 - электродвигатель;

2 - ременная передача;

3 - рычажное устройство с разновесами;

4 - опора;

5 - держатель;

6 - контртело - палец;

7 - диск с образцом (тестовый образец с нанесенной на него TiхZr1-хN системой) и рычагом;

8 – тензометрический датчик силы;

9 - шарик;

10 – стакан с СОЖ;

11 - стойка;

12 – подшипник Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. Экспериментальные результаты и их обсуждение На основании результатов рентгеноструктурного фазового и хими ческого анализов установлено совместное влияние метода осаждения, ТехП и температурных параметров (ТемП) обработки подложки и осажде ния TiхZr1-хN системы на ее фазовый и элементный состав (табл. 1, рис. 2, 3).

Таблица Фазовый и элементный составы TiхZr1-хN систем в зависимости от ТехП и ТемП ТехП ТемП Материал Т Объемные доли фаз Элементный состав, Тип текстуры слоев TiхZr1- (V), % ат.% хN системы Т с, К TiN Zr3 N4 TiZrN2 Zr Ti N х в TiхZr1 Vн.с.,К/мин хN систе ме Магнетронное распыление: общие ТехП: Uвыс = 600 эВ;

t=5 мин;

Vн.п.=90 К/мин;

N=2,0 кВт;

Р=1,0 Па;

Uсм=80 В;

N2 =35 %, (в числителе – LZr=100 мм и LTi=100 мм, в зна менателе LZr=270 мм и LTi=100 мм) 0,8 605 0,2 Ti- 1 0,69 53,2 5,1 41,7 36,67 13,14 50,19 0, … Tiх Zr1-хN 2 71,2 5,3 23,5 45,42 4,25 50,33 0, 1,0 605 0,3 Ti- 1 0,81 52,6 5,1 42,3 38,05 13,23 48,72 0, Р … Tiх Zr1-хN 2 71,5 7,5 21,0 39,65 8,97 51,37 0, 1,2 605 0,4 Ti- 1 0,78 53,4 6,3 40,3 37,24 13,08 49,68 0, … Tiх Zr1-хN 2 91,0 9,0 - 41,26 9,09 49,65 0, 40 605 0,1 Ti- 1 0,70 58,6 6,6 34,8 36,97 11,69 51,34 0, … Tiх Zr1-хN 2 82,7 6,8 10,5 42,86 5,98 51,16 0, Uсм 60 605 0,2 Ti- 1 0,81 57,6 7,2 35,2 35,76 12,48 51,76 0, … Tiх Zr1-хN 2 72,1 2,2 25,7 41,81 7,02 51,17 0, 30 605 0,2 Ti- 1 0,39 59,8 5,8 34,4 38,62 11,56 49,82 0, … Tiх Zr1-хN 3 76,9 2,9 20,2 47,18 6,69 46,13 0, N 40 605 0,4 Ti- 1 0,58 55,1 7,2 37,7 36,14 12,70 51,34 0, … Tiх Zr1-хN 2 71,9 7,9 20,2 40,21 8,93 50,86 0, Vн.п. 15 620 0,4 Ti-TiN- 1 0,92 3,3 20,7 76,0 19,74 29,83 50,43 0, … •Zr-ZrN• 2 5,1 21,0 73,9 20,87 29,13 50,0 0, 640 •Zr-Tiх Zr1 хN• Tiх Zr1-хN Машиностроение и машиноведение Окончание табл. Электродуговое испарение: общие ТехП: Uвыс= 1000 эВ;

Uсм=200 В;

N2 =100 %;

Iд=75 А;

Р=0,8 Па;

Uсм=200 В 45 650 1,5 Tiх Zr1-хN 4 0,57 5,7 21,7 72,6 20,30 28,03 51,67 0, 10 … 45 650 1,5 Ti,Zr - 4 0,58 4,3 22,3 73,4 20,27 29,13 50,06 0, 10 … Tiх Zr1-хN 45 650 1,5 Ti,Zr- 4 0,62 3,7 21,7 74,6 20,50 29,27 50,23 0, 10 … •TiхZr1 -хN Vн.п. 695 Ti,Zr• t -TiхZr1 -хN 45 650 3,7 Ti,Zr-ИБ *- 4 0,93 - 22,0 78,0 19,56 30,67 49,77 0, 10 … •TiхZr1 -хN Ti,Zr-ИБ *• Tiх Zr1-хN 20 725 3,7 Ti,Zr-ИБ *- 4 0,89 - 21,6 78,4 19,65 30,80 49,55 0, 30 … •TiхZr1 -хN Ti,Zr-ИБ *• Tiх Zr1-хN Комбинированный метод - МР+ЭДИ:

общие ТехП: Uвыс=600 эВ;

N=2,0 кВт;

Uсм=90 В;

N2 =50 %;

Iд=75 А;

Р=1,0 Па;

материал катода – Э110, мишени – ВТ-1- 90 605 1,2 Ti (МР)- 4 0,52 5,7 21,6 72,7 20,75 28,65 50,6 0, 5… Tiх Zr1-хN 640 КОМБ 15 620 1,0 TiМР- 4 0,87 3,1 20,6 76,3 19,73 30,05 50,22 0, 30 … •TiNМР 650 ZrNЭДИ • Vн.п. Tiх Zr1-хN t КОМБ 15 620 1,2 TiЭДИ - 4 0,90 1,8 21,5 76,5 19,82 30,40 49,78 0, 30 … •TiNМР 655 Tiх Zr1-хN КОМБ • Tiх Zr1-хN КОМБ * ИБ – промежуточная ионная бомбардировка - промежуточный нагрев слоя Ti,Zr. •TiNМР-(Ti,Zr)КОМБ• - повторяющиеся слои в TiхZr1-хN системе, КОМБ – комбинированный метод.

Тип текстуры: 1- (111)TiN+(111)TiZrN2, 2- (111)TiN, 3- (111)+(200)TiN, 4 (111)TiZrN2.

Магнетронным распылением после кратковременной термической обработки подложки (Vн.п=90 К/мин) при одинаковом минимальном рас положении двух магнетронных распылителей с Ti и Zr мишенями Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. (L=100 мм) формируется трехфазная TiхZr1-хN система, состоящая из двух основных кубических: с-TiN (пространственная группа Fm3m (225), пара метр кристаллической решетки а=0,4244 нм), с-TiZrN2 (Fm3m (225), а=0,4441 нм) и дополнительной орторомбической фазы Zr3N4 (Pnam (62), а=0,97294 нм, в=1,08176 нм, с=0,3281 нм) с х=0,23…0,26 (рис. 2, а).

Содержание элементов в TiхZr1-хN системе соответствует следующим интервалам: Zr = 11,56…13,23 ат.%, Ti=35,76…38,62 ат.%, N2=48,72 …51,76 ат.%. В случае удаления Zr-мишени относительно под ложки до 270 мм в TiхZr1-хN системе на 20…25 % повышается объемная доля с-TiN и до х=0,09…0,18 уменьшается содержание Zr в TiхZr1-хN сис теме. Тип текстуры TiхZr1-хN системы в первом случае (111)TiN+(111)TiZrN2, во втором - (111)TiN. Перераспределение металли ческих элементов в TiхZr1-хN системе в пользу циркония (х=0,59) происхо дит только в TiхZr1-хN системе, полученной после продолжительного рав номерного прогрева подложки с Vн.п.=15 К/мин при Tс=620 К и Vн.с.=0,4 К/мин. Состав данной TiхZr1-хN системы близок к стехиометриче скому, степень ее текстурированности максимальна. Трибологическим ис пытаниям подвергали тестовые образцы с пленками на основе TiхZr1-хN систем, сформированных магнетронным распылением равноудаленных мишеней.

В условиях протекания процесса осаждения электродуговым испа рением и комбинированием его с МР формируется трехфазная TiхZr1-хN система (х=0,58…0,61), состоящая из двух основных: с-TiZrN2, Zr3N4 и до полнительной с-TiN фаз, с в два раза большим содержанием циркония по сравнению TiхZr1-хN системами, сформированными магнетронным распы лением: Zr = 28,03…30,80 ат.% при Ti=19,56…20,75 ат.%, N2= 49,55…51,67 ат.% (рис. 2, б). Перераспределение металлических эле ментов в TiхZr1-хN системе и двукратное повышение объемной доли в ней тройной фазы с-TiZrN2 при незначительном изменении объемной доли Zr3N4 20,6…22,3 % вызвано улучшением ТемП осаждения TiхZr1-хN систе мы: Tс = 650 К и/или Vн.с. = 1,5 К/мин. Подтверждением служит соответст вие максимальной объемной доли с-TiZrN2 (78,4 %) и содержания цирко ния в TiхZr1-хN системе (х=0,61) максимальным температурным параметрам процесса ее осаждения: Tс=725 К и Vн.с.=3,7 К/мин. В интерва ле Tс=650…725 К и Vн.с.= 1,5…3,7 К/мин формируются TiхZr1-хN системы близкого к стехиометрическому составу.

По результатам трибологических испытаний установлено, что TiхZr1-хN системы в зависимости от продолжительности термической обра ботки подложки, метода осаждения, температурного интервала формиро вания и объемной доли тройной с-TiZrN2 фазы обладают трибологически ми свойствами (табл. 2).

Машиностроение и машиноведение Таблица Трибологические свойства Тс, К VmaxTiZrN2, I m ·10-5, -4 - I V ·10, I V ·10, Метод Vн.п, f П П К мгН-1м -1 мм3Н-1м-1 мм3Н-1м- К/мин % МР 90 605…620 42,3 2,06 0,96 2,43 0, МР 15 620…640 76,0 1,16 0,54 1,07 0, ЭДИ 45 650…695 73,4 1,57 0,61 1,12 0, ЭДИ 45 725…835 78,4 0,86 0,08 0,12 0, ЭДИ 20 650…760 78,0 0,92 0,27 0,72 0, ЭДИ+МР 90 605…640 74,6 1,34 0,56 1,08 0, ЭДИ+МР 15 620…650 76,3 1,07 0,52 0,96 0, ЭДИ+МР 15 620…655 76,5 0,97 0,35 0,85 0, а б Рис. 2. Схематичные диаграммы зависимости элементного состава TixZr1-xN систем, осажденных методами МР (а) и ЭДИ, ЭДИ+МР (б), от входящих в нее фаз Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. Закономерности изменения износостойких I m, I V ;

антифрикцион П П ных f свойств и изнашиваюшей способности TiхZr1-хN системы по отноше нию к контртелу I V в зависимости от фазового и элементного состава при К ведены на рис. 3 и 4. Все трибологические свойства сформированных TiхZr1-хN систем вне зависимости от метода подготовки подложки и ее осаждения улучшаются с повышением объемной доли более термодина мически устойчивой с-TiZrN2 фазы и содержания в TiхZr1-хN системах цир кония. Однако, интенсивность износа TiхZr1-хN систем, сформированных электродуговым испарением (TiхZr1-хN система – ЭДИ), и ее изнашиваю щая способность по отношению к контртелу значительно меньше по срав нению с TiхZr1-хN системами, сформированными магнетронным распыле нием (TiхZr1-хN система – МР). В связи с тем, что цирконий в TiхZr1-хN системе – МР увеличивается не более, чем на 2 ат.%, основной причиной меньшей ее износостойкости является в два меньшая объемная доля с TiZrN2 фазы. Уникальным комплексом свойств: I m =0,86·10-5 мгН-1м-1, П -4 3 -1 -1 -8 3 -1 - V V I П =0,08·10 мм Н м, I К =0,12·10 мм Н м, f=0,07 обладает нанокри сталлическая TiхZr1-хN система с максимальной объемной долей с-TiZrN фазы, сформированная в области более высоких температур с максималь ной начальной температурой Tс и скоростью ее нагрева в процессе осаж дения.

а б Рис. 3. Трибологические свойства TixZr1-xN системы в зависимости от ее: а - фазового и б - элементного состава.

Метод осаждения TixZr1-xN системы: а - МР;

б - ЭДИ и ЭДИ+МР Машиностроение и машиноведение Рис. 4. Трибологические свойства TixZr1-xN системы в зависимости от фазового (а) и элементного (б) составов. Метод осаждения TixZr1-xN системы: а - МР;

б - ЭДИ и ЭДИ+МР Заключение На основании проведенных рентгеноструктурных фазовых иссле дований, анализа элементного состава, трибологических испытаний тесто вых образцов с сформированными TixZr1-xN системами показано, что для уменьшения влияния отрицательных последствий изготовления ТИ и ПТ на процесс формирования систем, снятия напряжений и стабилизации структуры для каждой пары: TixZr1-xN система - подложка существует своя температура нагрева, скорость ее изменения в процессе осаждения, при ко торой происходит формирование TixZr 1-xN системы с улучшенным ком плексом износостойких и антифрикционных свойств.

Установлены закономерности изменения износостойких I m, I V и ан П П тифрикционных f свойств, изнашиваюшей способности TiхZr1-хN системы по отношению к контртелу I V в зависимости от фазового и элементного К состава TixZr1-xN системы. Повышение объемной доли с-TiZrN2 фазы и со держания циркония в TiхZr1-хN системе в исследуемых интервалах 34,4…78,4 % и 11,56…30,8 ат. % соответственно способствует улучшению всех трибологических свойств TixZr1-xN системы.

Выявлено, что получение TixZr1-xN систем с градиентом фазового и элементного состава и требуемым комплексом трибологических свойств возможно за счет оптимизации технологических и температурных пара метров процесса их формирования.

Уникальным комплексом свойств: I m =0,86·10-5 мгН-1м-1, I V =0,08·10 П П мм3Н-1м-1, I V =0,12·10-8 мм3Н-1м-1, f=0,07 обладает нанокристаллическая К TiхZr1-хN система с максимальной объемной долей с-TiZrN2 фазы, сформи рованная в области более высоких температур с максимальной начальной температурой Tс и скоростью ее нагрева в процессе осаждения.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. Список литературы 1. Табаков В.П. Формирование износостойких ионно-плазменных покрытий режущего инструмента. М.: Машиностроение, 2008. 311 с.

2. Ящерицын П.И. Технологическое наследование эксплуатацион ных параметров деталей машин // Инженерный журнал: справочник. 2004.

№ 9. С. 20-22.

3. Шулаев В.М., Андреев А.А. Сверхтвердые наноструктурные по крытия в ННЦ ХФТИ // ФИП. 2008. Т. 6. № 1-2. С. 4-19.

4. Plasma-based ion implantation utilizing a cathodic arc plasma / M.M.

Bilek [et al.] // Surface and Coatings Technology. 2003. Vol. 156. P. 136-142.

5. Theory of the effects of substitutions on the phase stabilities of Ti1 xAl xN / H.W. Hugosson [et al.] // Journal of Applied Physics. 2003. Vol. 93. № 8. P. 4505-4511.

6. Xia Q., Ruoff A. Pressure-induced rocksalt phase of aluminum ni tride: a metastable structure at ambient condition // Journal of Applied Physics.

1993. Vol. 73. P. 8198–8200.

7. Self-organized nanostructures in the Ti-Al-N system / P.H. Mayrhofer [et al.] // Applied Physics Letters. 2003. Vol. 83. P. 2049-2051.

8. Каменева А.Л., Караваев Д.М. Улучшение трибологических ха рактеристик пленок на основе ZrN путем оптимизации технологических условий процесса магнетронного распыления // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: cборник трудов 9-й Международ ной научно-практической конференции. Воркута: Филиал СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт», 2011. С. 289-293.

9. Baptista A.P.M. Friction and wear of TiN coatings contribution of CETRIB/INEGI to the TWA 1- 1993 VAMAS round-robin // Wear. 1996. Vol.

192. P. 237-240.

10. Петржик М.И., Штанский Д.В., Левашов Е.А. Современные ме тоды оценки механических и трибологических свойств функциональных поверхностей // Высокие технологии в промышленности России: материа лы X Международной научно-технической конференции. М.: ОАО ЦНИТИ «Техномаш», 2004. С. 311-318.

A.L. Kameneva ROLE OF THE PHASE AND ELEMENTAL COMPOSITION OF TiхZr1-хN-SYSTEM IN THE FORMATION OF ITS TRIBOLOGICAL PROPERTIES The regularities of changes tribological properties depending on the phase and elemental composition TiхZr1-хN systems have been established. Nanocrystalline TiхZr1-хN system with a unique combination of properties: I П =0,86·10-5 mgN-1 m-1, I П =0,08·10 m V mm3 N-1 m-1, I К =0,12·10-8 mm3N-1 m-1, f=0,07 have been obtained.

V Key words: TiхZr1-хN system, the ion-plasma methods, phase and element composition, tribological properties.

Получено 07.02. Машиностроение и машиноведение УДК 621.96:679. О.А. Ямникова, д-р техн. наук, проф., Yamnikova_Olga@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ), Е.Н. Якимович, канд. техн. наук, доц., 230184@inbox (Россия, Тула, ТулГУ) ТИПИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ КАК ИНСТРУМЕНТ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА Рассмотрено применение унификации проектных решений при изготовлении технологической оснастки с помощью автоматизированной системы, что повысило качество выполнения типовых разработок, предложено применение типизации на ос нове электронной БД технологий, в частности, маршрутных карт, характерных для конкретного предприятия, включающих опыт производства.

Ключевые слова: унификация, типизация, системы автоматизированного про ектирования, технологическая оснастка В последние годы на предприятиях машиностроения отмечается рост числа деталей изделий, вызванный повышением сложности выпус каемой продукции и расширением ее номенклатуры, что приводит к необ ходимости разработки большего количества технологической оснастки.

Рост номенклатуры оснастки увеличивает затраты на технологическую подготовку производства, в том числе из-за объема проектно конструкторских работ, привлеченного персонала, задействованного обо рудования, режущего и измерительного инструмента, материалов, сорта мента.

Уровень качества технологической оснастки и сроки технологиче ской подготовки производства определяются преемственностью разраба тываемой конструкции. Одновременно применение унификации позволяет экономить трудовые и материальные ресурсы при создании новой оснаст ки. Стандартизация проектных решений на предприятиях позволяет закре пить в новых конструкциях оснастки все лучшее, что создано ранее, и все сторонне проверено в производстве и эксплуатации [3].

В производственной практике степень стандартизации технологи ческой оснастки определяется не только объективными причинами, но и субъективными. Среди субъективных причин снижения степени стандар тизации можно выделить следующие: потеря преемственности проектных решений, отсутствие структурированности архивов и резервирования кон структорской документации.

Такой аспект практической стандартизации, как унификация, на ос нове установления и применения параметрических рядов, базовых конст Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. рукций, конструктивно-унифицированных блочно-модульных составных частей технологической оснастки с использованием 3D библиотек деталей и узлов была реализована в виде автоматизированной системы поддержки проектирования технологической оснастки (рис. 1). Разработанный и вне дренный на ОАО «НПО «Стрела» интеллектуальный модуль поддержки принятия решения при проектировании технологической оснастки не только позволил снизить временные потери при проектировании, но и по зволил учесть накопленный опыт на предприятии в области конструирова ния оснастки. Вместе с тем с помощью данного модуля сократились сроки проектирования ТО и повысилось качество разработки проектных реше ний за счет использования 3D-библиотек стандартизованных деталей и уз лов оснастки.

Рис. 1. Реализация автоматизированной системы поддержки проектирования технологической оснастки Ввиду повторяемости типов и модификаций конструкций техноло гической оснастки (ТО) целесообразно использовать накопленный опыт не только в области проектирования оснастки, но и в области разработки маршрутной технологии ее изготовления.

Использование накопленного опыта в области изготовления оснаст ки позволяет не только сократить сроки пребывания конструкторской до кументации (КД) в технологическом бюро инструментального цеха, но и использовать типовые маршрутные карты (МК). При разработке МК изго товления ТО, такой как штампы, пресс-формы, режущий и мерительный Машиностроение и машиноведение инструмент целесообразно использовать типовое изготовление данной ТО.

Структурно-функциональная модель процесса разработки мар шрутной карты позволила выявить влияние степени типизации МК изго товления деталей ТО, которое показывает, что повышение степени типиза ции МК при изготовлении ТО повышает качество оснастки и изделий в целом (рис. 2) [2].

Проектирование ТО осуществляется конструкторами с применени ем автоматизированной системы (АС) поддержки проектирования техно логической оснастки. Далее утвержденная КД ТО поступает в инструмен тальный цех для изготовления. Процессу изготовления испытания ТО предшествует этап разработки МК оснастки. После изготовления оснастка проверяется отделом технического контроля (ОТК) на соответствие осна стки (приспособления, мерительный и режущий инструмент) конструктор ской документации или отправляется на испытания (штампы, пресс формы, литьевые формы), где на ней изготавливают деталь основного про изводства, для которой изготавливалась данная оснастка. Полученная де таль проверяется ОТК и, при соответствии ее КД, оснастка признается годной и отправляется либо в кладовую, либо в цех-получатель, который заказывал данную оснастку. Если деталь оказывается не годной или осна стка не проходит ОТК, то она возвращается на предшествующие этапы.

Рис. 2. Структурно-функциональная модель процесса изготовления ТО Для нахождения путей повышения качества изготовления техноло гической оснастки было выполнено структурно-функциональное модели рование процесса разработки комплекта МК (рис. 3), которое позволило выявить несоответствия, возникающие при разработке МК и приводящие к Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. временным потерям в процессе описания и изготовления оснастки. Дея тельность технолога в инструментальном цехе начинается с разработки МК на детали и сборку ТО. Несоответствия, возникающие в процессе из готовления оснастки, приводят к необходимости доработки МК ТО. При невозможности изготовления деталей оснастки стандартным режущим ин струментом и проверки исполнительных размеров деталей мерительным инструментом возникает потребность проектирования и изготовления ин струмента второго порядка.

Рис. 3. Структурно-функциональная модель процесса разработки МК на ТО Основные несоответствия в разработанных МК ТО, а также конст рукции и МК инструмента второго порядка выявляются на этапе их изго товления. Для устранения несоответствий на стадии изготовления ТО не обходимо совершенствовать процесс разработки МК изготовления оснастки с использованием интеллектуализации данного процесса [1], включающего информационное обеспечение баз данных системы, содер жащих типовые МК изготавливаемой оснастки, что позволит сохранить накопленные знания по разработке МК ТО.

Список литературы 1. Амиров Ю.Д. Научно-техническая подготовка производства. М.:

Экономика, 1989. 230 с.

2. Базров Б.М. Модульная технология в машиностроении. М.: Ма Машиностроение и машиноведение шиностроение, 2001. 368 с.

3. Владимиров В.М. Изготовление штампов, пресс-форм и приспо соблений: учебник. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. школа, 1981. 431 с.

O.A. Yamnikova, E.N. Yakimovich TYPIFICATION OF PROCESS OF WORKING OUT TECHNOLOGICAL EQUIPMENTS AS THE TOOL OF IMPROVEMENT OF QUALITY In work application of unification of design decisions at manufacturing of industrial equipment by means of the automated system that has raised quality of performance of typical workings out is considered, application of typification on the basis of electronic databases of technologies, in particular, route charts, characteristic for the concrete enterprise, including manufacture experience is offered.

Key words: unification, typification, systems of the automated designing, industrial equipment Получено 07.02. УДК 533. В.В. Загорулько, асп., (4872) 35-18-79, ZagorulVit@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ) РЕАКТИВНЫЕ СНАРЯДЫ С ДИСКООБРАЗНЫМ КОРПУСОМ Проведена оценка целесообразности придания корпусу реактивного снаряда дискообразной формы, дополненной аэродинамическими органами стабилизации и управления. Определены оптимальные условия для обеспечения планирования данных реактивных снарядов и получены траекторные характеристики Ключевые слова: реактивный снаряд, управляемый, дисковый, траектория, планирование, дальность полета, аэродинамическое качество.

Оценивается целесообразность придания корпусу реактивного сна ряда (РС) дискообразной формы, дополненной плоскими аэродинамиче скими поверхностями с установленными на них аэродинамическими руля ми, с целью обеспечения большей дальности полета.

Важными показателями, характеризующими возможности РСЗО, являются дальность и точность стрельбы. В настоящее время в качестве основного способа повышения дальности стрельбы используется плани рующий полет на нисходящей ветви траектории. Для реализации такого полета необходимо, чтобы реактивный снаряд обладал высоким аэродина Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. мическим качеством, что трудно обеспечить, оставаясь в рамках традици онного схемного решения.

РС с дискообразным корпусом, или дисковый управляемый реак тивный снаряд (ДУРС), можно представить как дисковый управляемый снаряд (ДУС), снабженный реактивным ускорителем.

Основными геометрическими параметрами ДУС являются площадь горизонтальной проекции его дискового корпуса и относительная толщина корпуса с. Последний параметр представляет собой отношение макси мальной толщины корпуса к диметру его площади горизонтальной проек ции. Относительные площади горизонтального и вертикального оперений определялись из условия обеспечения степени статической устойчивости.

Для обеспечения максимальной дальности при планировании РС придается угол атаки, обеспечивающий максимальное аэродинамическое качество.

На рис. 1. приведены графики аэродинамического качества ДУС различной с от угла атаки при М=0,6, а на рис. 2 – при М=2.

Рис. 1. Аэродинамическое качество ДУС различных относительных толщин при М=0, Рис. 2. Аэродинамическое качество ДУС различных относительных толщин при М= Из графиков, представленных на рис. 1 и 2, видно, что оптимальные углы атаки опт зависят и от с, и от М, но они изменяются в незначи Машиностроение и машиноведение тельном интервале – от 5,5 до 7 o. Для облегчения формирования системы управления ДУС предлагается при планировании использовать постоян ный угол атаки = 6 o.

При оценке летных возможностей дискового снаряда и сравнении их с РС, имеющими баллистическую траекторию, например РС «Смерч», предлагается исходить из того, что масса ДУС без оперения равна массе головной части (ГЧ) снаряда «Смерч». В табл. 1 представлены габаритные и массовые параметры ДУРС, аналогичного снаряду 9М55К РСЗО «Смерч»

Таблица Габаритные и массовые параметры ДУРС Стартовая Масса ДУС Диаметр кор- Толщина масса, кг без оперения, пуса ДУС, м корпуса ДУС, кг м 800 243 0,86 0, Стрельбы ДУРС проводятся при следующих начальных условиях:


угол подъема направляющей 65o, скорость в конце активного участка Va = 1150 м/с.

На рис. 3 представлены траектории полета ДУС, планирующих с вершины траектории при = 6 o и имеющих разные значения с.

Рис. 3. Траектории полета ДУС при планировании с вершины траектории Наибольшей дальностью обладают диски с относительной толщи ной 0,1, наименьшей – при с = 0,4. Для дисков рассмотренных относи тельных толщин характерен отскок от воздуха. Исходя из соображений ра циональности внутренней компоновки, оптимальным является значение с = 0, 2.

Для обеспечения максимальной дальности необходимо начать пла Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. нирование в оптимальной точке баллистической траектории. На рис. представлены траектории полета и зависимость дальности полета от высо ты начала участка планирования.

Рис. 4. Траектории полета ДУС и зависимость дальности полета от высоты начала участка планирования Максимальная дальность достигается при начале участка планиро вания в вершине баллистической траектории.

В табл. 2 приведено сравнение ДУС с относительной толщиной 0, с РС комплекса «Смерч».

Таблица РС с дискообразной формой корпуса и РС РСЗО «Смерч»

Параметры 9М958 ДУС Масса ГЧ, кг 258 Дальность, км 90 Скорость в конце активного участка, м/с 1200 Габаритные размеры ГЧ Длина (диаметр диска), мм 2049 Калибр (высота диска), мм 300 Высокие аэродинамическое качество и маневренность ДУРС позво ляют получить большие дальности полета и осуществить повторный заход на цель при промахе или доразведке цели, который может быть реализован при соответствующем программировании угла атаки.

Машиностроение и машиноведение Список литературы 1. Дмитриевский А.А., Лысенко Л.Н. Внешняя баллистика. М.: Ма шиностроение, 2005. 608с.

2. Лебедев А.А., Чернобровкин Л.С. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1973. 616 с.

3. Орлов А.Р. Основы устройства и функционирования снарядов ре активных систем залпового огня. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. 165 с.

4. Орлов А. Р., Сатаров А. В., Троицкий А. Н. Прикладная аэроди намика беспилотных летательных аппаратов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004.

132с.

V.V. Zagorulko ROCKETS WITH THE DISK-SHAPED CASE The assessing of expediency of giving to the case of a rocket of the disk-shaped form added with aerodynamic bodies to stabilization and guidance was made. Optimum conditions for ensuring planning of these rockets are defined and trajectory characteristics are received.

Key words: a rocket operated, disk, a trajectory, planning, range of flight, aerodynamic quality.

Получено 07.02. УДК 621. М.А. Загорулько, асп., (4872) 35-18-79, MSTula@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ) МОДЕЛИРОВАНИЕ ИК И ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ФОНА ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ Проведен анализ результатов численного моделирования суточного хода тем пературы и энергетической яркости земной поверхности для различных климатиче ских зон.

Ключевые слова: фоноцелевая обстановка, температура, климатическая зона, подстилающая поверхность.

Подготовка и ведение боевых действий невозможны без наличия различной информации о местности.

Существует мнение, что в вооруженных конфликтах и локальных войнах XXI столетия выиграет тот, кто сможет быстрее собрать многопла новые, постоянно меняющиеся данные о ходе боя, проанализировать их, сделать правильные выводы, принять верное решение и быстро довести Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. его до подчиненных. Для обеспечения победы прежде всего необходимо достичь информационного превосходства над силами противника. Это по зволит опередить его в анализе быстро меняющейся боевой обстановки и принятии правильного решения о ходе операции.

Создание пассивных головок самонаведения, работающих в окнах прозрачности атмосферы, – весьма актуальная и сложная задача. Одна из причин сложности использования тепловых ГСН – это большое разнообра зие тепловых образов фонов подстилающей поверхности. Получить высо кодостоверную информацию для генерирования эффективных алгоритмов селекции цели возможно при моделировании фоноцелевой обстановки (ФЦО) и, в частности, фона подстилающей поверхности (ФПП).

Необходимость математического моделирования ФПП очевидна, поскольку невозможно экспериментально реализовать все случаи ФЦО. В ходе натурного эксперимента невозможно учесть все погодные условия, так как постоянно изменяются параметры атмосферы. Также проведение физического моделирование требует больших денежных затрат. Использо вание накопленных знаний по сезонно-суточным колебаниям деятельного слоя почв не позволяет с достаточной точностью спрогнозировать термо динамическую температуру сложного и разнообразного фонового сюжета, попадающего в поле зрения тепловой ГСН.

В процессе математического моделирования рассматривался ком бинированный радиационно-конвективный теплообмен между земной по верхностью и окружающим пространством (воздух, Солнце). При этом было необходимо учесть климатические зоны, типы грунтов, время года и суток. В конечном счете, в процессе формирования математической моде ли необходимо получить систему уравнений, позволяющую определить температуру земной поверхности, исходя из общей характеристики про цесса сложного теплообмена, особенностью которого является сочетание трех способов переноса теплоты (теплопроводности, конвективного тепло обмена и излучения).

Были разработаны физическая и математическая модели теплооб мена подстилающей поверхности с окружающей средой и физическая и математическая модели ИК поля ФПП в диапазоне длин волн от 3 до 5 мкм и от 8 до 13 мкм.

На основе полученных моделей была разработана программа для определения температурного и ИК полей ФЦО, а также проведена провер ка адекватности полученной математической модели.

В результате проверки было установлено, что относительная по грешность между полученными результатами и экспериментальными дан ными не превысила +5 % от последних. Можно предположить, что значе ния температуры поверхности в результате расчета превышают значения температур поверхности экспериментальных данных, вследствие неучета в математической модели испарения с земной поверхности и излучения не Машиностроение и машиноведение бесной полусферы и облаков. Исходя из этого можно сказать, что земная поверхность не получает некоторого количества тепла в течение суток, но и не отдает некоторое количества тепла за счет испарения. Так как величи на испарения играет не последнюю роль в охлаждении земной поверхно сти, то она не успевает охладиться в течение суток, и температура поверх ности в расчете по полученной программе несколько выше экспериментальной кривой (но не превышает 5 %). Такое значение относи тельной погрешности является приемлемым для проводимых расчетов.

Исходными данными для проведения расчета являлись: широта ме стности, дата, температура окружающей среды, сюжет подстилающей по верхности. Расчеты проводились для шести климатических зон: Централь ный район Российской Федерации (Москва, широта 56°), Приморский край (Владивосток, широта 42°), Прибалтика (Рига, широта 55°), Украина (Одесса, широта 46°), Кавказ (Батуми, широта 43°), Средняя Азия (Ашха бад, широта 38°). Расчет возможен для любого дня и месяца года.

Суточный ход температуры окружающей среды определялся в за висимости от типа климатической зоны и выбранной даты по таблицам статистических данных. В программе расчет проводился для минималь ных, средних и максимальных значений температур окружающей среды, а также для трех значений облачности: 0, 25 и 50 %.

На основании полученных значений были определены математиче ский ожидания, дисперсии и среднеквадратические отклонения для суточ ного хода температур и энергетической яркости в двух диапазонах длин волн – от 3 до 5 мкм и от 8 до 13 мкм.

Расчеты показали, что влияние облачности и изменения температу ры воздуха на градиент температуры элементов ПП и суточный ход ИК излучения имеет одинаковый характер для всех типов поверхностей, вре мен года и климатических зон. Из полученных результатов видно, что наи большее значение температуры и энергетической яркости элементов ПП в ИК диапазонах от 3 до 5 мкм и от 8 до 13 мкм наблюдается при макси мальной температуре воздуха и нулевой балльности облачности, а мини мальные значения – при минимальной температуре воздуха и 50 %–ной балльности облачности. Также можно сказать, что при нулевой балльности облачности наблюдается наибольший градиент температур, с увеличением балльности облачности градиент температур уменьшается. В темное время суток градиент температур очень мал и даже имеет отрицательные значе ния, потому что высота Солнца мала, а также температура окружающей среды выше, чем температура элементов ПП, т. к. воздух охлаждается медленнее, чем земная поверхность.

На рис. 1–3 приведены графики математических ожиданий суточ ного хода температуры различных элементов ПП для разных сезонов года Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. (весна, лето, осень, зима) и графики математических ожиданий суточного хода энергетических яркостей различных элементов ПП для разных сезо нов года (весна, лето, осень, зима) на примере Центрального района РФ.

Рис. 1. Математическое ожидание суточного хода температуры элементов ПП в Центральном районе РФ Рис. 2. Математическое ожидание суточного хода энергетической яркости элементов ПП в диапазоне 3…5 мкм в Центральном районе РФ Машиностроение и машиноведение Рис. 3. Математическое ожидание суточного хода энергетической яркости элементов ПП в диапазоне 8…13 мкм в Центральном районе РФ Суточная амплитуда колебаний температуры ПП наибольшая в лет нее время года во всех рассматриваемых климатических зонах, потому что приход тепла от Солнца имеет большое значение, что обусловлено не большой продолжительностью темного времени суток, когда высота Солнца имеет отрицательные значения или очень мала. Большую часть времени в летний период занимает светлая часть суток, когда углы Солнца положительны и земная поверхность интенсивно прогревается.


Зимой же суточная амплитуда колебаний температуры поверхности невелика и сами значения температур элементов ПП малы. Это обусловле но малой высотой Солнца, значительно поздним восходом и ранним зака том по сравнению с летним временем года. Таким образом, световой день короткий, углы Солнца малы, поэтому земная поверхность прогревается слабо.

Весна и осень являются переходными сезонами между летом и зи мой, и суточная амплитуда колебаний температуры поверхности занимает промежуточное положение между летней и зимней. Значения температур одинаковых элементов ПП в эти сезоны как для Центрального района РФ, так и для Средней Азии очень близки, разница между одинаковыми фоно выми образованиями составляет не больше одного градуса. Наибольшая разница между одинаковыми элементами наблюдается в Приморском крае и составляет 7 градусов. В Прибалтике, на Украине и на Кавказе эта раз ница составляет 5, 3 и 6 градусов соответственно.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. По результатам расчетов можно сделать вывод, что вне зависимо сти от сезона и климатической зоны больше всего нагревается чернозем, за ним идут песок и глина, а замыкающее положение занимает бетон. Это обусловлено тем, что у элементов ПП различные теплофизические свойст ва, основные из которых теплоемкость и теплопроводность. Различное со четание этих свойств и привело к получению результатов, приведенных на рис. 1–3. Для зимы амплитуда суточных колебаний будет минимальна из за небольшой температуры элементов ПП и малой высоты Солнца. На графиках видно, что в зимнее время значения энергетических яркостей для различных типов фоновых образований практически совпадают, кроме чернозема. Возрастание амплитуды чернозема и увеличение значения энергетической яркости по сравнению с остальными обусловлено тем, что у него самая большая излучательная способность и самая маленькая отра жательная способность. Поскольку у бетона, глины и песка разные излуча тельные и отражательные способности, а значения энергетических ярко стей очень близки и различаются немного только в дневное время суток, когда положительны углы Солнца, можно говорить о том, что не послед нюю роль в определении энергетической яркости элементов ПП играет вы сота Солнца. Разные фоновые образования имеют некоторые общие участ ки не в утреннее или вечернее время, а в дневное время суток, это можно объяснить только случайным сочетанием температуры этих поверхностей с их отражательными или излучательными свойствами.

Для зависимостей весны и лета так же, как и на графиках, для мате матического ожидания температуры элементов ПП, прослеживается в Цен тральном районе РФ и в Средней Азии очень малое отличие между значе ниями математических ожиданий энергетических яркостей одинаковых элементов ПП в обоих диапазонах длин волн, для остальных климатиче ских зон эти значения весьма различны.

Результаты показали, что при рассматриваемых условиях нет таких интервалов для различных фоновых образований и климатических зон, а также времен года в обоих диапазонах длин волн, которые совпадали бы между собой или один был бы полностью включен в состав другого интер вала. Поэтому следует рассматривать каждое фоновое образование ПП, каждую климатическую зону и каждый диапазон длин волн в отдельности, с учетом времени суток, потому что вид кривых, описывающих суточное изменение математических ожиданий суточного хода температуры и энер гетических яркостей, имеет сложный характер.

Направление дальнейших исследований будет включать в себя воз можность расчета с учетом влияния рассеянного излучения облаков и ис парения, а также возможность расчета сложных сюжетов ФЦО и введение в рассмотрение влияния рельефа местности, поскольку на данный момент поверхность считается плоской. Предполагается получение случайной геометрической картины участка местности заданных размеров в зависи Машиностроение и машиноведение мости от дальности и угла измерения. Карта будет формироваться в соот ветствии с указанными типами основного и дополнительных фоновых по крытий. В качестве предполагаемого списка дополнительных фонов фигу рируют только покрытия неантропогенной природы, расположение, размеры и форма которых носят заведомо случайный характер.

Список литературы 1. Нащокин В.В. Техническая динамика и теплопередача. М.: Высш.

школа, 1980. 469 с.

2. Петросянц М.А., Хромов С.П. Метеорология и климатология. М.:

Изд-во МГУ, 1994. 520 с.

M.A. Zagorulko MATHEMATICAL SIMULATION OF IR AND BOTTOMING SURFACE BACKGROUND THERMAL FIELDS The numerical simulation results for bottoming terrain and power brightness diurnal variation in different climatic zones is analyzed.

Key words: target environment, temperature, climatic zone, bottoming surface.

Получено 07.02. УДК 541.135 : 519. А.И. Курочкин, асп., (920) 742-21-49, erider00@gmail.com (Россия, Тула, ТулГУ) ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МИКРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ РЕЖИМАХ Проведены исследования процесса формирования профиля обрабатываемой поверхности при МЭЭО и анализ факторов, определяющих форму эрозионной лунки.

На основе проведённых исследований разработан режим МЭЭО пакетами высокочас тотных импульсов, обеспечивающий улучшение технологических показателей МЭЭО.

Ключевые слова: микроэрозионная обработка, технологические показатели, режим обработки, эрозионная лунка, межэлектродный промежуток, пакеты высоко частотных импульсов, канал разряда.

В последние годы в науке и технике наблюдается устойчивая тен денция к миниатюризации различных технических систем. В связи с этим Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. перед промышленностью всё чаще возникают задачи изготовления микро изделий, конструкция которых становится всё более сложной.

На современном этапе развития науки и техники наиболее эффек тивной технологией получения микрообъектов из электропроводных мате риалов является микроэрозионная обработка (МЭЭО). Высокие техноло гические показатели обработки, универсальность применения и относительная простота реализации обеспечили широкое распространение МЭЭО в промышленности. Но при реализации МЭЭО на существующем оборудовании данный метод имеет ряд недостатков, снижающих его воз можности. Например, снижение величины износа электрода-инструмента (ЭИ) и увеличение производительности обработки на чистовых режимах позволили бы существенно повысить возможности МЭЭО и расширить область её применения.

Таким образом, несмотря на высокий уровень развития современ ной электроэрозионной техники, задача улучшения технологических пока зателей МЭЭО по-прежнему является актуальной.

Целью исследования является разработка режима МЭЭО, обеспе чивающего повышение точности копирования формы (максимальная по грешность формообразования max 0,05 мм), производительности формо образования (Q 150·104 мкм3/мин) и шероховатости обрабатываемой поверхности (Ra 0,50 мкм).

Задачей исследования является проведение теоретических и экс периментальных исследований процесса МЭЭО с целью определения воз можностей и путей улучшения технологических показателей обработки.

Проведение исследований. Физические основы процесса МЭЭО во многом схожи с основами процесса традиционной электроэрозионной обработки (ЭЭО) [8]. Но отличия заключаются в размерах обрабатываемых объектов и, как следствие, в режимах обработки. Поэтому на первоначаль ном этапе исследований был проведен анализ процесса формирования профиля обрабатываемой поверхности в ходе ЭЭО.

Формирование профиля обрабатываемой поверхности происходит в результате суперпозиции эрозионных лунок. Процесс формирования об рабатываемой поверхности в несколько упрощённом виде можно описать следующим образом: после формирования эрозионной лунки первым раз рядом ось следующего разряда с наибольшей вероятностью пройдёт через металлический валик, окаймляющий предыдущую лунку, в результате чего происходит перекрытие профилей эрозионных лунок [5].

На рис. 1, а представлена схема формирования профиля обрабаты ваемой поверхности эрозионными лунками диаметром Di и глубиной hi. Из схемы видно, что величины съёма материала с поверхности заготовки h и средняя высота неровностей профиля обрабатываемой поверхности Ra имеют большее значение в случае формирования поверхности эрозионны ми лунками большего диаметра (D2). Отсюда можно сделать вывод, что Машиностроение и машиноведение для улучшения показателей качества обрабатываемой поверхности необ ходимо применять режимы обработки, при которых размеры единичной эрозионной лунки будут минимальны. Но в этом случае неизбежно уменьшится величина съёма, что снизит производительность обработки.

В ходе современных исследований процесса формирования обраба тываемой поверхности было установлено, что на величину съёма и шеро ховатость обрабатываемой поверхности влияют не только размеры эрози онной лунки, но и показатель её формы, которая меняется в зависимости от режимов обработки [5, 6]. На основе результатов данных исследований было установлено, что добиться высоких показателей съёма (h) при со хранении высокого качества обрабатываемой поверхности (9 – 11-й клас сы) можно при формировании профиля обрабатываемой поверхности эро зионными лунками с соотношением глубины к диаметру hi / Di 2. Схема формирования обрабатываемой поверхности такими лунками представлена на рис. 1, б.

На следующем этапе были проведены исследования механизмов формирования эрозионной лунки с целью разработки режима МЭЭО, обеспечивающего формирование эрозионных лунок с соотношением глу бины к диаметру hi / Di 2.

Эрозионная лунка образуется в результате воздействия тепловой энергии, выделяющейся в канале разряда, на поверхность электродов. В зоне контакта канала разряда с электродом происходят нагрев и плавление либо в зависимости от мощности рабочего импульса и плотности энергии в канале разряда – нагрев и взрывное испарение материала электрода. Ха рактер протекания данных процессов зависит от характеристик канала раз ряда – мощности, диаметра и плотности энергии в нём.

Рис. 1. Схемы формирования профиля обрабатываемой поверхности эрозионными лунками различной формы: а – эрозионными лунками с соотношением hi / Di 1;

б – эрозионными лунками c соотношением hi / Di Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. Из области электронно-лучевой обработки известно, что эффект глубокого проплавления металла достигается при высокой плотности энергии в канале разряда (более 1 105 Вт/см2 ) [4]. В этом случае в результате быстрого повышения температуры на поверхности электрода (1 10-7…1 10-8 с.) происходит прогрев металла на глубину, в 2 – 4 раза превышающую диаметр зоны воздействия, его плавление и взрывное испарение, в результате чего образуется лунка большой глубины и малого диаметра. исследователей процесса ЭЭО отмечают, что максимальная Ряд плотность энергии в канале разряда наблюдается на начальных стадиях его существования, когда диаметр канала ещё достаточно мал ( 1 мкм) [1, 7].

Они связывают это с тем, что на начальных этапах формирования канала разряда окружающие его массы диэлектрической жидкости существенно повышают время увеличения его диаметра до максимального значения (10 6…10-7 с.). При этом ток, протекающий через канал разряда, достигает максимального значения за 10-8 с. В результате в канале разряда на на чальных этапах его существования образуется высокая плотность энергии, которая в дальнейшем снижается по мере увеличения его диаметра. Эти данные подтверждаются современными результатами высокоскоростной съёмки процесса ЭЭО в инфракрасном спектре, на кадрах которой видно, что наибольшая температура в канале разряда наблюдается именно на на чальных этапах его существования (рис. 2).

Рис. 2. Данные исследований процессов в межэлектродном промежутке: а - кадры высокоскоростной съёмки в инфракрасном спектре канала разряда;

б - модель формирования эрозионной лунки в процессе пробоя жидкого диэлектрика [7] Машиностроение и машиноведение Современные результаты моделирования процесса электроэрози онной обработки [7] подтверждают, что на начальном этапе образования искрового разряда между электродами происходит формирование эрози онной лунки преимущественно в глубину, а на дальнейших этапах проис ходит увеличение её диаметра (рис. 3).

Таким образом, для получения эрозионных лунок с соотношением глубины к диаметру hi / Di 2 необходим режим, позволяющий управлять величиной тока и плотностью энергии в канале разряда и, как следствие, диаметром канала и плотностью энергии в нём.

На основе данных, полученных в ходе исследования механизма об разования эрозионной лунки, был разработан режим микроэрозионной об работки, при котором управление распределением мощности и плотно стью энергии в канале разряда осуществляется при помощи метода широтно-импульсной модуляции.

Данный метод основан на регулировке мощности, рассеиваемой на нагрузке, путём периодического включения и выключения тока через на грузку. Изменяя частоту и длительность импульсов тока, можно изменять величину среднего тока через нагрузку и тем самым регулировать рассеи ваемую на ней мощность. Такой принцип, например, широко применяется для регулирования частоты вращения электродвигателей, регулирования яркости источников света и т.д. Такой же эффект проявляется практически с любым потребителем электрического тока, имеющим определённую инерцию, т.е. способным запасать энергию. К данному типу потребителей относится и межэлектродный промежуток (МЭП), так как он обладает оп ределённой емкостью и способен запасать энергию.

Характерной особенностью разработанного режима является при менение вместо непрерывных рабочих импульсов пакетов из нескольких десятков или сотен высокочастотных импульсов сверхмалой длительности (100…500 нс) (рис. 3). Длительность пакета составляет 100…10 мкс., что сопоставимо с длительностью единичного импульса при традиционной МЭЭО. При изменении длительности и частоты импульсов внутри пакета можно изменять величину постоянной составляющей тока в канале разря да и тем самым управлять диаметром канала разряда и плотностью энергии в нём.

При традиционной МЭЭО обработка осуществляется непрерывны ми рабочими импульсами, и изменять величины тока в канале разряда и диаметра не представляется возможным. Величины этих параметров оп ределяются только электрическими характеристиками МЭП на данном промежутке времени и далеко не всегда являются оптимальными.

На рис. 2, б представлены осциллограммы пакетов импульсов на пряжения и импульсов тока во время МЭЭО. Как видно, задний фронт им пульсов тока существенно превышает длительность паузы между импуль сами пакета. Это вызвано емкостью МЭП, которая разряжается (отдаёт Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. запасённую энергию) после прекращения действия импульса напряжения.

При длительности паузы между импульсами в пакете, превышающей вре мя полной разрядки электрической ёмкости, емкость МЭП разрядится полностью, и во время паузы между импульсами канал разряда погаснет.

Если же длительность паузы между импульсами не превышает время раз рядки распределённой ёмкости МЭП, то импульсы тока будут иметь по стоянную составляющую, и канал разряда не погаснет на протяжении всей длительности пакета. В таких условиях искровой разряд переходит в дру гой вид электрического разряда – высокочастотный разряд [3].

При изменении величины постоянной составляющей тока в канале разряда изменяется диаметр канала разряда [7] и, как следствие, диаметр эрозионной лунки. Повышая амплитуду импульсов тока при неизменной постоянной составляющей, можно увеличить плотность энергии в канале разряда [1], что приводит к увеличению глубины эрозионной лунки.

Применение высокочастотных разрядов при МЭЭО открывает но вые возможности по управлению процессом обработки и улучшению его технологических показателей. При изменении частоты и скважности им пульсов в пакете меняется величина постоянной составляющей тока в ка нале разряда, что приводит к изменению его диаметра и температуры внутри канала. При изменении скважности и длительности пакетов им пульсов меняется время существования канала разряда и как следствие, время теплового воздействия на электроды и его глубина. Таким образом, изменяя характеристики импульсного сигнала, можно добиться новых тех нологических показателей процесса МЭЭО.

Для проверки результатов теоретических исследований и опреде ления оптимальных режимов для различных материалов и условий обра ботки были проведены экспериментальные исследования процесса МЭЭО пакетами высокочастотных импульсов.

В ходе проведения экспериментов осуществлялась обработка сле дующих материалов: стали 40Х ГОСТ 4543-71, молибдена ГОСТ 25442-82, бронзы ГОСТ 493-79, медной фольги ГОСТ 859-2001. Были получены сле дующие микроэлементы: микроотверстия диаметром 300 и 50 мкм глуби ной 1000 мкм в стали 40Х и молибдене;

микрополости полусферической формы диаметром 1 мм в стали 40Х и кремнии;

массивы поверхностных элементов сложной формы на поверхности бронзовой заготовки;

массив микроотверстий сложной формы в медной фольге. В качестве рабочих жидкостей применялись керосин ГОСТ 10227-86 и дистиллированная вода.

В результате экспериментальных исследований были получены за висимости технологических показателей МЭЭО от основных характери стик рабочего импульсного сигнала – частоты следования импульсов в па кете и длительности пакетов (рис. 4).

Машиностроение и машиноведение Рис. 3 Пакеты высокочастотных импульсов при МЭЭО:

а - пакеты импульсов и их основные характеристики;

Тп – период следования пакетов;

tп – длительность пакета;

tп’ – длительность паузы между пакетами;

Ти – период следования импульсов в пакете;

tи – длительность импульса в пакете;

tи’ – длительность паузы между импульсами в пакете;

Umax – амплитуда импульсов;

N – количество импульсов в пакете;

б - осциллограммы пакетов импульсов напряжения и тока в процесса МЭЭО Из полученных зависимостей видно, что значительное влияние на производительность обработки оказывает изменение длительности пакета импульсов, в то время как изменение частоты импульсов в пакете на про изводительность обработки влияет незначительно. При этом изменение частоты импульсов в пакете оказывает значительное влияние на износ электрода-инструмента – при уменьшении частоты следования импульсов в пакете износ электрода инструмента снижается.

Также были проведены исследования влияния на технологические показатели обработки типа используемой рабочей жидкости. В результате было установлено, что лучшая точность обработки достигается при ис пользовании керосина, в то время как лучшая производительность обра ботки и меньший износ электрода-инструмента наблюдались при исполь зовании дистиллированной воды.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. Рис. 4. Зависимости технологических показателей МЭЭО от режимов обработки При экспериментальных исследованиях влияния длительности па кета импульсов и частоты следования импульсов в пакете на шерохова тость обрабатываемой поверхности было установлено, что при увеличении длительности пакета увеличивается диаметр эрозионной лунки, а при уве личении частоты следования импульсов внутри пакета – её глубина.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.