Учеб. пособие. М.: РУДН, 2008. – 150 с.
В истории развития техники и технологии всегда существовала
проблема создания изделия с параметрами точности и качества
поверхности, превосходящими аналогичные параметры деталей и узлов
технологического оборудования, на котором это изделие
изготовлялось. Грубо говоря, на «неточном» оборудовании необходимо
было изготовить детали, более точные, чем те детали, из которых
было собрано это оборудование – только так мог осуществляться
технический прогресс. Такие задачи решались для индивидуальных
объектов производства с помощью умельцев-самородков, которые
чувствовали руками, кожей пальцев ту разницу размеров и
шероховатости поверхности, которую назвали «микрометрами». На
каждом крупном предприятии, как правило, имеется один или несколько
таких уникальных рабочих, оберегаемых и поддерживаемых руководством
и коллективом.
Однако сейчас, когда развитие техники подошло вплотную к рубежу, который условно называется «нанотехнологиями», требуется иное решение проблемы. Если с помощью прецизионных станков можно было обеспечить точность размеров порядка ±(10…1) мкм и шероховатость поверхности 0,08…0,032 мкм, то сейчас надо выходить на уровень отклонения размеров ±(0,1…0,001) мкм и шероховатость поверхности 0,0016…0,00032 мкм.
Надежность работы машин определяется не только геометрическими, но и физико-механическими параметрами поверхностного слоя деталей, так как при эксплуатации детали машин контактируют именно по поверхности – с другими деталями, с рабочим телом (жидкостью или газом) и с окружающей средой. Наблюдающаяся интенсификация этих контактов – увеличение давлений, скоростей, температур и агрессивности жидкостей и газов – требует изменения отношения к поверхностному слою деталей именно в нанометрическом диапазоне. Этот слой должен быть твердым, остаточные напряжения должны быть непременно сжимающими, структура его – чрезвычайно мелкодисперсной, а микронеровностям необходимо придавать сглаженную форму, чтобы обеспечивать большую площадь опорной поверхности, что приводит к снижению местных напряжений.
Важно при этом отметить, что речь идет не об единичных, уникальных изделиях, а об изделиях массового и серийного производства, таких как лопатки современных турбин, головные обтекатели ракет, диски памяти, зеркала для лазеров и т.п.
Таким образом, решение этой задачи имеет две стороны. Во-первых, необходимо обеспечить требуемые свойства поверхности по ее структуре и прочностным свойствам, а во-вторых – добиться необходимой формы и точности размеров на нанометрическом уровне.
Разработанные отечественными учеными методы поверхностного пластического деформирования (ППД) позволяют путем последовательного локального деформирования металла, при котором объем очага деформации имеет размеры порядка десятых долей миллиметра (во всяком случае, не более нескольких миллиметров), осуществлять нормирование размеров очага деформации и тем самым управлять качеством упрочнения поверхностного слоя. Натурные и компьютерные эксперименты позволяют рассчитать долговечность детали, то есть жизненный цикл металла от формирования заготовки до разрушения при эксплуатации, рассматривая его как единый процесс исчерпания ресурса пластичности металла.
Для решения второй задачи – достижения точности формы и размеров изделия – необходимо изучить причины нарушения стабильности относительного положения режущего инструмента и детали и разработать методы повышения стабильности путем активного воздействия узлы, формирующие зону резания.
Раньше, при менее жестких требованиях к точности размеров и к форме обработанной поверхности, этому явлению не уделялось внимания. Важность борьбы с указанным источником нестабильности может быть охарактеризована, например, таким мнением, высказанным в литературе: уменьшение шероховатости плоской поверхности диска памяти на один класс увеличивает объем его памяти на порядок.
При токарной обработке существует три источника нестабильности положения оси шпинделя.
Первый источник – это дисбаланс шпинделя, возникающий при установке на него каждой новой заготовки. Требование нанометрической точности обработанных точением поверхностей определяет необходимость разработки метода быстрой и точной балансировки с применением новых алгоритмов расчетов и компьютерного управления системой «оператор-компьютер-станок».
Второй источник нестабильности – разбалансировка шпинделя в процессе обработки в рамках одного прохода из-за неравномерности съема металла с обрабатываемой поверхности детали, что приводит к пространственным искажениям обработанной поверхности. Подавление влияния этого источника возможно только на пути автоматической подбалансировки с введением обратной связи.
Третий источник нестабильности – погрешности изготовления и сборки подшипниковых узлов.
Хотя подшипники особо точных станков работают в условиях отсутствия металлического контакта, и между поверхностями втулки и шейки ротора всегда имеется газовый слой, отклонение их поверхностей от идеальной формы вызывает при вращении переменные радиальные силы, причем достаточно сложного спектрального состава. Эти силы приводят к нестабильности положения оси шпинделя, сопоставимой с нестабильностью, определяемой указанными ранее источниками. Решение этой задачи требует в разработки теоретических основ и апробации метода компенсации данного источника внутрисистемной нестабильности, а также разработки математических моделей и, в связи с их нелинейностью, анализа их методами компьютерного моделирования.
Таким образом, необходимы новые подходы к решению указанных проблем. Предлагаемый курс ориентирован на подготовку специалистов, которые в результате изучения теоретических вопросов состояния и управления качеством поверхностного слоя и практических технических решений, а также теоретических и практических проблем увеличения стабильности положения оси шпинделя, смогут выполнять необходимую инженерную и научно-исследовательскую работу в указанной области.
Конечно, за такое короткое время (72 часа) подобная задача не решается в полном объеме, однако основу для профессиональной работы в области нанометрических технологий при серьезном отношении студента к этому курсу можно получить. Общие сведения о состоянии поверхности деталей, обработанных особо точными методами с упрочняющей технологией. Особенности упрочняющих технологий в системе достижения высокой износостойкости и поверхностной прочности
Нанотехнологические процессы как одно из основных перспективных направлений современного машиностроения. Основные виды процессов упрочняющей нанотехнологии
Выбор варианта технологического процесса
Физические основы деформационного упрочнения металлов. Сущность, особенности и состояние поверхностного слоя детали. Параметры состояния поверхностного слоя деталей машин
Физические основы разрушения металлов. Понятие дислокации. Классификация узлов трения. Виды изнашивания
Структурные несовершенства в реальных кристаллах
Образование и размножение дислокаций
Физические основы разрушения металлов
Классификация узлов трения
Постановка задачи обеспечения качества поверхностного слоя. Классификация методов отделочно-упрочняющей обработки деталей машин
Обеспечение качества поверхностного слоя
Виды и назначение технологических методов поверхностного упрочнения деталей
Упрочнение с образованием пленки на поверхности
Упрочнение с изменением химического состава поверхностного слоя металла
Упрочнение с изменением структуры поверхностного слоя
Упрочнение с изменением энергетического запаса поверхностного слоя
Упрочнение с изменением микрогеометрии поверхности и наклепом
Упрочнение с изменением структуры всего объема металла
Химико-термическая обработка рабочих поверхностей деталей
Гальванические покрытия поверхностей деталей машин
Основные методы поверхностного пластического деформирования (ППД)
Классификация и особенности применения методов ППД
Основные методы поверхностно пластического деформирования (ППД)
Формирование очага деформации при обкатывании роликом
Численная модель ППД. Основы теории упрочняемого жесткопластического тела
Силы, возникающие при алмазном выглаживании
Трение и смазка
Инструменты для выглаживания
Вибровыглаживание
Глубина деформационного упрочнения поверхностного слоя
Напряженное состояние в точке сплошной среды
Расчет глубины деформационного упрочнения поверхностного слоя
Определение параметров процесса
Расчет приближенного значения накопленной деформации поверхностного слоя
Определение подачи S/z
Определение диаметра ролика
Определение силы обкатывания
Сущность упрочнения пластическим деформированием
Методы лазерного, электронно-лучевого, плазменного и детонационного упрочнения деталей машин
Лазерное упрочнение
Лазерная наплавка
Электронно-лучевая обработка
Методы детонационного и плазменного нанесения покрытий
Плазменное поверхностное упрочнение деталей
Характеристики рабочих поверхностей деталей, обеспечивающие точность в нанометрическом диапазоне
Факторы, препятствующие достижению высокоточных поверхностей: вибрации упругих систем станков и режущих инструментов
Дисбаланс вращающихся деталей станков. Дисбаланс обрабатываемых изделий
Колебания из-за неточности изготовления и сборки узлов, колебания фундаментов
Моделирование и теоретический анализ относительных колебаний инструмента и заготовки
Пассивная и активная балансировка вращающихся деталей
Активные методы балансировки роторов (АБУ)
Методика особо точных измерений абсолютных и относительных колебаний: световолоконного, лазерного, вихретокового
Система измерений величины и фазового угла дисбаланса в нанометрическом диапазоне
Датчики и измерительная аппаратура для нанометрического диапазона
Компьютерные устройства и программы регистрации относительных колебаний режущего инструмента и обрабатываемой поверхности
Компьютеризированная балансировка системы «шпиндель-заготовка»
Моделирование системы гашения колебаний шпинделей особо точных токарных станков
Глоссарий (словарь используемых терминов)
Лабораторный практикум
Список обязательной и дополнительной литературы
Методические указания для студента
Общее описание курса
Сведения об авторах
Однако сейчас, когда развитие техники подошло вплотную к рубежу, который условно называется «нанотехнологиями», требуется иное решение проблемы. Если с помощью прецизионных станков можно было обеспечить точность размеров порядка ±(10…1) мкм и шероховатость поверхности 0,08…0,032 мкм, то сейчас надо выходить на уровень отклонения размеров ±(0,1…0,001) мкм и шероховатость поверхности 0,0016…0,00032 мкм.
Надежность работы машин определяется не только геометрическими, но и физико-механическими параметрами поверхностного слоя деталей, так как при эксплуатации детали машин контактируют именно по поверхности – с другими деталями, с рабочим телом (жидкостью или газом) и с окружающей средой. Наблюдающаяся интенсификация этих контактов – увеличение давлений, скоростей, температур и агрессивности жидкостей и газов – требует изменения отношения к поверхностному слою деталей именно в нанометрическом диапазоне. Этот слой должен быть твердым, остаточные напряжения должны быть непременно сжимающими, структура его – чрезвычайно мелкодисперсной, а микронеровностям необходимо придавать сглаженную форму, чтобы обеспечивать большую площадь опорной поверхности, что приводит к снижению местных напряжений.
Важно при этом отметить, что речь идет не об единичных, уникальных изделиях, а об изделиях массового и серийного производства, таких как лопатки современных турбин, головные обтекатели ракет, диски памяти, зеркала для лазеров и т.п.
Таким образом, решение этой задачи имеет две стороны. Во-первых, необходимо обеспечить требуемые свойства поверхности по ее структуре и прочностным свойствам, а во-вторых – добиться необходимой формы и точности размеров на нанометрическом уровне.
Разработанные отечественными учеными методы поверхностного пластического деформирования (ППД) позволяют путем последовательного локального деформирования металла, при котором объем очага деформации имеет размеры порядка десятых долей миллиметра (во всяком случае, не более нескольких миллиметров), осуществлять нормирование размеров очага деформации и тем самым управлять качеством упрочнения поверхностного слоя. Натурные и компьютерные эксперименты позволяют рассчитать долговечность детали, то есть жизненный цикл металла от формирования заготовки до разрушения при эксплуатации, рассматривая его как единый процесс исчерпания ресурса пластичности металла.
Для решения второй задачи – достижения точности формы и размеров изделия – необходимо изучить причины нарушения стабильности относительного положения режущего инструмента и детали и разработать методы повышения стабильности путем активного воздействия узлы, формирующие зону резания.
Раньше, при менее жестких требованиях к точности размеров и к форме обработанной поверхности, этому явлению не уделялось внимания. Важность борьбы с указанным источником нестабильности может быть охарактеризована, например, таким мнением, высказанным в литературе: уменьшение шероховатости плоской поверхности диска памяти на один класс увеличивает объем его памяти на порядок.
При токарной обработке существует три источника нестабильности положения оси шпинделя.
Первый источник – это дисбаланс шпинделя, возникающий при установке на него каждой новой заготовки. Требование нанометрической точности обработанных точением поверхностей определяет необходимость разработки метода быстрой и точной балансировки с применением новых алгоритмов расчетов и компьютерного управления системой «оператор-компьютер-станок».
Второй источник нестабильности – разбалансировка шпинделя в процессе обработки в рамках одного прохода из-за неравномерности съема металла с обрабатываемой поверхности детали, что приводит к пространственным искажениям обработанной поверхности. Подавление влияния этого источника возможно только на пути автоматической подбалансировки с введением обратной связи.
Третий источник нестабильности – погрешности изготовления и сборки подшипниковых узлов.
Хотя подшипники особо точных станков работают в условиях отсутствия металлического контакта, и между поверхностями втулки и шейки ротора всегда имеется газовый слой, отклонение их поверхностей от идеальной формы вызывает при вращении переменные радиальные силы, причем достаточно сложного спектрального состава. Эти силы приводят к нестабильности положения оси шпинделя, сопоставимой с нестабильностью, определяемой указанными ранее источниками. Решение этой задачи требует в разработки теоретических основ и апробации метода компенсации данного источника внутрисистемной нестабильности, а также разработки математических моделей и, в связи с их нелинейностью, анализа их методами компьютерного моделирования.
Таким образом, необходимы новые подходы к решению указанных проблем. Предлагаемый курс ориентирован на подготовку специалистов, которые в результате изучения теоретических вопросов состояния и управления качеством поверхностного слоя и практических технических решений, а также теоретических и практических проблем увеличения стабильности положения оси шпинделя, смогут выполнять необходимую инженерную и научно-исследовательскую работу в указанной области.
Конечно, за такое короткое время (72 часа) подобная задача не решается в полном объеме, однако основу для профессиональной работы в области нанометрических технологий при серьезном отношении студента к этому курсу можно получить. Общие сведения о состоянии поверхности деталей, обработанных особо точными методами с упрочняющей технологией. Особенности упрочняющих технологий в системе достижения высокой износостойкости и поверхностной прочности
Нанотехнологические процессы как одно из основных перспективных направлений современного машиностроения. Основные виды процессов упрочняющей нанотехнологии
Выбор варианта технологического процесса
Физические основы деформационного упрочнения металлов. Сущность, особенности и состояние поверхностного слоя детали. Параметры состояния поверхностного слоя деталей машин
Физические основы разрушения металлов. Понятие дислокации. Классификация узлов трения. Виды изнашивания
Структурные несовершенства в реальных кристаллах
Образование и размножение дислокаций
Физические основы разрушения металлов
Классификация узлов трения
Постановка задачи обеспечения качества поверхностного слоя. Классификация методов отделочно-упрочняющей обработки деталей машин
Обеспечение качества поверхностного слоя
Виды и назначение технологических методов поверхностного упрочнения деталей
Упрочнение с образованием пленки на поверхности
Упрочнение с изменением химического состава поверхностного слоя металла
Упрочнение с изменением структуры поверхностного слоя
Упрочнение с изменением энергетического запаса поверхностного слоя
Упрочнение с изменением микрогеометрии поверхности и наклепом
Упрочнение с изменением структуры всего объема металла
Химико-термическая обработка рабочих поверхностей деталей
Гальванические покрытия поверхностей деталей машин
Основные методы поверхностного пластического деформирования (ППД)
Классификация и особенности применения методов ППД
Основные методы поверхностно пластического деформирования (ППД)
Формирование очага деформации при обкатывании роликом
Численная модель ППД. Основы теории упрочняемого жесткопластического тела
Силы, возникающие при алмазном выглаживании
Трение и смазка
Инструменты для выглаживания
Вибровыглаживание
Глубина деформационного упрочнения поверхностного слоя
Напряженное состояние в точке сплошной среды
Расчет глубины деформационного упрочнения поверхностного слоя
Определение параметров процесса
Расчет приближенного значения накопленной деформации поверхностного слоя
Определение подачи S/z
Определение диаметра ролика
Определение силы обкатывания
Сущность упрочнения пластическим деформированием
Методы лазерного, электронно-лучевого, плазменного и детонационного упрочнения деталей машин
Лазерное упрочнение
Лазерная наплавка
Электронно-лучевая обработка
Методы детонационного и плазменного нанесения покрытий
Плазменное поверхностное упрочнение деталей
Характеристики рабочих поверхностей деталей, обеспечивающие точность в нанометрическом диапазоне
Факторы, препятствующие достижению высокоточных поверхностей: вибрации упругих систем станков и режущих инструментов
Дисбаланс вращающихся деталей станков. Дисбаланс обрабатываемых изделий
Колебания из-за неточности изготовления и сборки узлов, колебания фундаментов
Моделирование и теоретический анализ относительных колебаний инструмента и заготовки
Пассивная и активная балансировка вращающихся деталей
Активные методы балансировки роторов (АБУ)
Методика особо точных измерений абсолютных и относительных колебаний: световолоконного, лазерного, вихретокового
Система измерений величины и фазового угла дисбаланса в нанометрическом диапазоне
Датчики и измерительная аппаратура для нанометрического диапазона
Компьютерные устройства и программы регистрации относительных колебаний режущего инструмента и обрабатываемой поверхности
Компьютеризированная балансировка системы «шпиндель-заготовка»
Моделирование системы гашения колебаний шпинделей особо точных токарных станков
Глоссарий (словарь используемых терминов)
Лабораторный практикум
Список обязательной и дополнительной литературы
Методические указания для студента
Общее описание курса
Сведения об авторах