CC BY
117
13. Герасимов С.В., Долотов А.М., Саакян К.Г. Расчет седла уплотнительного соединения, нагруженного затвором и давлением герметизируемой среды // Механики XXI веку : сб. докл. XI Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участ. Братск, 2012. № 11. С. 106-111.
14. Долотов А.М., Пронькина С.А., Герасимов С.В., Белоголов Ю.И. Перспективная конструкция фланцевого уплотнительного соединения с оболочечным элементом // Тр. Брат. гос. ун-та : Сер. : Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири. Братск : Изд-во БрГУ, 2011. Т.2. С. 85-87.
15. Белоголов Ю.И. Совершенствование конструкций уплотнительных соединений с тонкостенными элементами (упругой кромкой) : дис. ... канд. техн. наук. Иркутск, 2013. 178 с.
16. Белоголов Ю.И. Совершенствование конструкций уплотнительных соединений с тонкостенными элементами (упругой кромкой) : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Братск, 2013. 23 с.
17. Белоголов Ю.И. Совершенствование конструкций уплотнительных соединений с тонкостенными элементами (упругой кромкой) // Тр. Брат. гос. ун-та: Сер.: Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири. 2013. Т.1. С.194-196.
18. Долотов А.М. Уплотнительные соединения с использованием тонкостенных элементов / А.М. Долотов, В.Е. Гозбенко, Ю.И. Белоголов. Иркутск, 2011. Деп. в ВИНИТИ 22.11.2011, № 508-В2011.
УДК 621.7 Гречнева Мария Васильевна,
к. т. н., доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов, Иркутский национальный исследовательский технический университет, тел. +7 (3952) 40-52-47, e-mail: mgrech@irk.ru
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТ В ОБЛАСТИ ПЛАЗМЕННОГО ПОВЕРХНОСТНОГО
УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ В РФ
M. V. Grechneva
ANALYSIS OF THE RESULTS OF WORK IN THE FIELD OF PLASMA SURFACE HARDENING OF STEELS AND ALLOYS IN RUSSIA
Аннотация. Проведен анализ работ в области плазменного поверхностного упрочнения металлов и сплавов, выполненных в России различными авторами. Подробно рассмотрены основные направления исследований и полученные результаты на основе анализа работ различных авторов. Представлены сравнительные характеристики различных способов поверхностного упрочнения: лазерный, электронный луч, плазменная дуга. Проведен анализ практических технологий плазменного упрочнения, внедренных в различные сферы промышленности. Намечены перспективные направления в области повышения износостойкости.
Ключевые слова: плазма, поверхностное упрочнение, плазменная закалка, аустенит, износостойкость, система «колесо - рельс», установка плазменной закалки.
Abstract. The analysis of scientific papers in the field ofplasma surface hardening of metals and alloys written in Russia by various authors is carried. Main directions of research and the results obtained on the basis of analysis of works of various authors are discussed in detail. Comparative characteristics of different methods of surface hardening: laser, electron beam, plasma arc - are presented. The analysis of the practical plasma hardening technology introduced in various industries is performed. Perspective directions in the field of increasing wear resistance are proposed.
Keywords: plasma, surface hardening, plasma hardening, austenite, wear resistance, wheel-rail system, installation of plasma hardening.
Введение
Развитие науки и техники в XXI веке связано не только с получением новых материалов и технологий, но и с решением актуальных вопросов промышленного производства и сохранения ресурсов. Эти вопросы возможно решить с помощью увеличения срока службы материалов, из которых изготовлены детали машин и инструментов. Традиционные технологии термической и химико-термической обработки деталей машин и инстру-
ментов предназначены для объёмной обработки поверхности и не позволяют выполнять локальную обработку быстро изнашиваемых участков [1]. Современные технологии поверхностного упрочнения металлов и сплавов, с использованием концентрированных потоков энергии (КПЭ) лазерный луч [2-5], электронный луч [6], плазменная дуга [7, 8], характеризуются высокими скоростями нагрева и охлаждения, кратковременностью и локальностью воздействия на металл. Основной
Машиностроение и машиноведение
интерес со стороны промышленных предприятии при использовании новых упрочняющих технологии на базе концентрированных потоков энергии (КПЭ) направлен на повышение прочности, изно-со- и коррозионной стоИкости деталей машин и инструментов [3, 4, 7, 9]. Имеющиеся в литературе сведения дают противоречивую информацию о перспективах внедрения технологий упрочнения в различные отрасли [2-5, 7, 8]. Каждый из авторов той или иной технологии пытается дать субъективную оценку перспективности именно своей разработки, находя в других способах упрочнения недостатки. Кроме того, теория и практика обработки металлов концентрированными потоками энергии еще далека до завершения.
Анализ теоретических работ
На первых этапах в работах [4, 5, 7, 8, 10, 11] особенности нагрева и охлаждения металлов и сплавов (КПЭ) только констатировались, но дальнейшего исследования и объяснения не следовало, т. к. принципиально новых структур и фаз в металлах при экстремальных скоростях нагрева и охлаждения (по сравнению с печной термообработкой, закалкой ТВЧ, сваркой) обнаружено не было, получаемые структуры в зоне воздействия внешне (в оптическом и электронном микроскопе) практически ничем не отличались от традиционных структур [10, 11], а следовательно, по мнению данных авторов, в общем и целом все подчиняется классической теории фазовых и структурных превращений. В то же время отмечалась высокая твердость и степень дисперсности образующихся структур, неоднородность их распределения по ширине и глубине поверхностного слоя [4, 5, 7, 8, 10, 11].
Были выполнены работы [4, 5, 10, 11], где предложены новые гипотезы фазовых превраще-
ний с позиции неравновесной термодинамики и приведены экспериментальные исследования в этом вопросе. Применительно к плазменному нагреву [8, 9-11] была предпринята попытка построения физической основы теории и практики плазменного поверхностного упрочнения, где авторы [8, 9] ограничились лишь повторением общей схемы описания структур поверхностного слоя, принятой для лазерного поверхностного упрочнения. В работах [10, 11] впервые сформулированы общие вопросы плазменного упрочнения, поставлены цели исследований и намечены задачи, которые необходимо решить для успешного внедрения в производство реальных технологий плазменного упрочнения. Важное положение сформулировано автором работ [10, 11] о том, что поверхностное упрочнение КПЭ металлов - это не классическая объемная термообработка в чистом виде со стабильными критическими точками Ас1 и Асз, стадией гомогенизации, критическими скоростями охлаждения, термо-кинетическими диаграммами и т. д. Теоретические концепции, принятые для классической термообработки металлов, используются для анализа процессов структурооб-разования в поверхностном слое металла только в качестве ориентира [7-9], для исследования и дальнейшей интерпретации результатов. И это не процесс сварки с расплавленной ванной металла и зоной термического влияния, несмотря на то, что используются подобные источники нагрева и, на первый взгляд, прослеживается близость физико-химических процессов в зоне термического влияния.
Поверхностное упрочнение металлов
КПЭ - это междисциплинарная отрасль научных исследований, имеющая с одной стороны, много общего с основными процессами отмеченными выше, а с другой принципиальные отли-
О(Н0ВНЫГ структуры ШРО'ШПШОГО ПОВгрИЮСТИОГО С ЮН » >тлгродштых (Талях гнм к пллгмгниого лиро-щпшя
Рис. 1. Общая схематизация процессов структурообразования поверхностного упрочнения КПЭ на примере
плазменного упрочнения [10]
чия и закономерности (рис.1 [10]).
Например [7, 8, 10, 11], плавающие (смещение) критические точки Ас1 и Ас3 (зависят от скорости нагрева), отсутствие выдержки при максимальной температуре нагрева, плотность теплового потока 103-109 Вт/см2 на поверхности при времени воздействия 10-6-10-1 с, отсутствие понятия критической скорости охлаждения, т. к. скорости охлаждения поверхностного слоя металла составляют 103-107 °С/с [7, 8, 10, 11].
Проведенный краткий анализ отдельных работ по плазменному упрочнению различных авторов [7-9, 12-16] показал, что в большинстве случаев, они направлены на решение узкой технологической задачи упрочнения (повышение твердости) конкретной марки стали [7-9, 12-16], из которой изготовлена та или иная деталь. Кроме того, большая часть работ в области плазменного упрочнения металлов выполнена на различном оборудовании [7-9], имеющем принципиальные конструктивные и технологические особенности (плазмотроны с межэлектродными вставками [8], с пористым анодом [7], с различными плазмообра-зующими газами и средами [7, 9, 13, 14]), в различных технологических режимах (струя или дуга (прямой или обратной полярности) [7, 16, 17], трехфазная дуга, вакуумная дуга и т. д.) [17], техниках исполнения (с магнитным или механическим расширением струи (дуги) [7, 8, 15, 16], стелющаяся или отраженная плазменная струя и т. д.) [10, 11].
Важно отметить, что основная часть оборудования для плазменного упрочнения - это переделанное авторами той или иной технологии [7-9, 12-17] оборудование, изначально предназначенное для других целей (плазменная резка, наплавка, напыление сварка и т. д.). В рамках самого направления плазменного поверхностного упрочнения металлов можно выделить специфику оборудования по типу используемого источника нагрева (струя [8] или дуга [7, 9]), где результаты упрочнения металлов будут отличаться по конечным показателям. Так, например, простая смена полярности при упрочнении в режиме дуги при постоянстве других параметров обработки позволяет увеличить твердость упрочненной зоны и глубину упрочнения [7, 9, 17]. Упрочнение на обратной полярности характеризуется большой глубиной упрочнения и требует специального оборудования для контролирования динамики катодных пятен [17].
Анализ работ в области поверхностного
модифицирования
Отдельным направлением работ в области плазменного упрочнения металлов и сплавов
можно выделить поверхностное модифицирование и легирование [7, 12, 13, 15, 18] с использованием плазмообразующих газов, паст и обмазок. В работах по плазменному азотированию поверхностного слоя [7, 13] рассмотрены структуры и фазы нитридного слоя, образующегося в процессе газового азотирования, как с оплавлением поверхности, так и без оплавления поверхности. Показано, что азотированные слои на малоуглеродистых сталях обладают высокой износостойкостью. Использование твердых паст и обмазок подробно рассмотрено в работах [7, 15, 18], где приведены структуры цементированного слоя для малоуглеродистых сталей с распределением микротвердости по глубине. Использование жидких сред в качестве носителей легирующих элементов при плазменном поверхностном упрочнении рассмотрено в работах [7, 14]. Показано, что, проводя плазменное упрочнение через жидкую среду, возможно насыщать поверхностный слой различными легирующими элементами (азот, углерод, бор, кремний и т. д.), а также снижать остаточные деформации и напряжения [7, 14]. Особую важность при проведении плазменного поверхностного модифицирования и легирования металлов и сплавов представляет вопрос наводороживания поверхностного слоя [7, 19, 20]. Известно [1, 7, 19, 20], что водород снижает трещиностойкость сварных соединений, а в условиях отрицательных температур способствует хрупкому разрушению деталей машин и инструментов. Применительно к поверхностному упрочнению металлов, когда у нас упрочненный слой обладает повышенной прочностью и низкой пластичностью [8, 10, 11, 16], даже небольшое содержание диффузионно-подвижного водорода повышает вероятность хрупкого разрушения, интенсивного трещинообразования в процессе трения [7, 19, 20]. В работах [19, 20] приведены количественные значения по диффузионно-подвижному водороду для каждого способа плазменного поверхностного упрочнения и предложены мероприятия по снижению содержания водорода в упрочненном слое [7, 16].
Анализ работ по плазменной циклической
обработке металлов
Термоциклическая обработка металлов с использованием печного нагрева, ТВЧ-нагрева - хорошо известный технологический процесс [1-3]. Плазменное циклическое упрочнение рассмотрено в работе [16], где приведены исследования по изменению структуры в упрочненном слое в зависимости от количества циклов нагрева для углеродистых и легированных сталей. Приведены результаты испытаний на износостойкость большого количества марок сталей и чугуна. Результаты работы
Машиностроение и машиноведение
[16], в отличии от просто констатации факта образования мартенсита, приведенного в работах [3-5], раскрывают механизм структурообразования в упрочненном слое в процессе многоциклового нагрева и охлаждения. Использование плазменного циклического упрочнения, по мнению автора [16], способствует получению структур полной закалки в упрочнённом слое. Более подробно вопрос структурообразования в процессе плазменного упрочнения рассмотрен в работах [21, 22]. В работе [22] авторы делают выводы о параметрах технологического процесса по конечной структуре упрочненного слоя, тогда как в работе [21] рассматривается непосредственно кинетика роста и охлаждения аустенита в процессе плазменного нагрева. По мнению автора [21], скорость нагрева исходной структуры существенно влияет на размер аустенитного зерна. Чем выше скорость плазменного нагрева, тем меньше размер аустенитного зерна образуется при нагреве [21], а следовательно, на стадии охлаждения получается высокодисперсный мартенсит. В связи с этим предложенные в работе [16] технологические термограммы позволяют регулировать рост зерна аустенита. Авторы работ [9, 22], исследуя структуру закаленных углеродистых сталей после плазменной закалки, фиксируют большое количество остаточного аустенита в упрочнённом слое. По их мнению, это связано с незавершенностью процесса закалки. Результаты работы [21] показывают, что с целью регулирования доли остаточного аустенита необходимо использовать циклическую обработку [16]. В развития работ [12, 13, 15, 18] по плазменному поверхностному легированию металлов и сплавов в работах [7, 16] предлагается термоциклическое диффузионное насыщение металлов.
Анализ работ по пятну нагрева
В большинстве работ по плазменному упрочнению [7-9, 13-15, 21, 22] отмечается важная роль пятна нагрева, так как от этого зависят процессы структурообразования в поверхностном слое металла [10, 11, 21]. Плотность теплового потока на поверхности изделия, как показывает проведенный нами анализ литературных источников по различным способам обработки (лазерный [25] и электронный луч [6], плазменная дуга [7, 9] или струя [8]), является ключевым параметром практической технологии. В работах [10, 11, 16, 21] отмечается, что от плотности теплового потока при плазменном нагреве зависит кинетика роста и распада аустенита в упрочненном слое, а также, как отмечают авторы работ [14, 15, 18], диффузионные процессы при проведении поверхностного легирования. Показано [23, 24], что пятно нагрева при плазменной обработке поверхности металла
имеет неравномерное распределение температуры. Неравномерное распределение температуры по пятну нагрева свойственно и другим концентрированным источникам нагрева [2-6]. Визуализация анодной области при помощи скоростной сьемки не только показывает распределение температуры по пятну нагрева, но и позволяет оценить распределение температуры плазменной дуги [23, 24]. С целью устранения этого эффекта неравномерного распределения температуры используют магнитное сканирование плазменной дуги [7, 9, 16], сканирования лазерного и электронного луча [2-6], добиваясь при этом двух целей: устранения неравномерности по пятну нагрева и получения широких дорожек упрочнения. Детальное исследование пятна нагрева при плазменном упрочнении [23, 24] с использованием высокоскоростной цифровой камеры показало, что к отличиям плазменного упрочнения, отмеченным в работе [10], необходимо добавить и иерархичность анодного пятна в пространстве и во времени в зависимости от режимов упрочнения. Выявленные при помощи визуализации [23, 24] особенности существования анодных пятен первого и второго типа необходимо учитывать при разработке конкретных технологических процессов [7, 9, 10, 11, 13, 14, 16, 17]. В частности, это особенно важно учитывать при плазменном термоциклированиии [16] и плазменной цементации из твердой и газовой фазы [7, 13, 18], т. к. различные типы анодных пятен будут влиять на процессы структурообразования и насыщение поверхности легирующим элементом [25]. При упрочнении на обратной полярности [17] необходимо дополнительно провести исследования воздействия катодных пятен, используя методику работ [23, 24]. Первые шаги в этом направлении сделаны в работах [26, 27], где предложена новая расчетно-экспериментальная методика определения действительного пятна нагрева при плазменном упрочнении.
Сравнительная оценка различных
способов поверхностного упрочнения
На примере развития плазменных технологий в промышленности [7-9] стали появляться технологии электронно-лучевого упрочнения металлов с использованием углеродосодержащих паст и обмазок. Вместе с тем отличие плазменной цементации [7, 15, 18, 28] от электронно-лучевой заключается в режиме микрооплавлении поверхности [23, 24], либо полном отсутствии микрооплавления. Последнее недостижимо для способов электронно-лучевого легирования. Визуализация процесса плазменного поверхностного упрочнения в режиме дуги, проведенная в работах [23, 24], показала, что, действительно, для каждой марки су-
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
ществует диапазон технологических режимов, когда оплавления поверхности не происходит. Представленная выше информация показывает конкурентоспособность технологии плазменного поверхностного упрочнения металлов и сплавов в сравнении с другими источниками концентрированной энергии. В то же время отмеченные нами при анализе особенности технологии и плазменного оборудования создают разрозненную и противоречивую информацию о процессах структуро-образования в поверхностном слое металла. Автор работы [10] считает, что у оппонентов и критиков практических технологий поверхностного упрочнения металлов, как лазерного, так и плазменного,
всегда есть обоснованные (с точки зрения классической термообработки) опасения высокой тре-щиностойкости упрочненных поверхностных слоев, ввиду неоднородности процесса структурооб-разования по ширине и глубине упрочненного слоя, непрогнозируемого распределения остаточных напряжений в поверхностном слое и т. д. [5, 7, 9, 21], на которые разработчики технологии поверхностного упрочнения не всегда могут. Сравнительная оценка различных способов поверхностного упрочнения приведена в работах [7, 10, 11, 16, 21], в компактном виде представлена на рис. 2, в табл. 1, 2 и 3, в работе [10].
а б в
Рис. 2. Сравнение микроструктур мартенсита в упрочненном слое стали 65Г при электронной (а), лазерной (б) и плазменной закалке в режиме дуги (в) [10] (верхний снимок в углу РЭМ, общий снимок ПЭМ)
Т а б л и ц а 1
Сравнение твердости стали 40,45 для различных способов поверхностного упрочнения КПЭ.
Источник ин( юрмации [10]
Способ упрочнения Микротвердость упрочненного слоя
Исходная После закалки
1. Плазменнаядуга [39, 46, 51, 61] 2. Лазерная закалка [2-8, 13, 14] 3. Электронный луч [4, 32] 4. ТВЧ-закалка [10, 11] 3 500-3 800 3 500-3 800 3 500-3 800 3 500-3 800 7 200-7 800 7 250-7 900 7 300-8 000 6 500-7 100
Т а б л и ц а 2
Основные энергетические параметры КПЭ для способов упрочнения. _Источник информации [10]_
Источник нагрева Мощность, Вт Плотность мощности энергии, Вт/см2 Минимальная площадь нагрева, см2 Эффективный КПД нагрева
Мин. Макс. Мин. Макс.
1. Плазменная дуга [39, 46-48] 10 105 5*102 4*106 10-4 0,65-0,75
2. Плазменная струя [41, 42] 102 104 102 103 10-2 0,35-0,45
3. Лазерный луч* [1-8] 10 106 102 1010 10-8 0,15-0,35
4. Электронный луч [4] 10 106 5*102 1017 10-8 0,85-0,90
* В импульсном режиме плотность мощности достигает порядка 1012-1016 Вт/см2, мощность - 1012-1013 Вт.
Машиностроение и машиноведение
Т а б л и ц а 3
Технико-экономические параметры способов упрочнения КПЭ
Параметр Плазменная дуга Луч
лазерный электронный
1 2 3 4
Структура упрочненного слоя М-Т-С-Ф-П-Ост. А М-Т-С-Ф-П-Ост. А М-Т-С-Ф-П-Ост. А
Глубина упрочнения, мм 1,5-4 [38] 1,5-1,8 [5, 6] 1,5-5 [4, 32]
Твердость упрочненного слоя, МПа [1-8, 39, 41, 42] 7 200 7 400 7 400
Стабильность твердости по ширине и глубине [1-8, 39, 41] Высокая Высокая Высокая
Эффективный КПД нагрева [1-8, 41, 42] 0,65-0,75 0,15-0,35 0,85-0,90
Капитальные затраты на оборудование, млн дол. США [5, 6, 45] 0,05-0,1 0,8-1,9 1,3-2,8
Текущие затраты на 1 пог. м, дол. США [5, 6, 45] 1-3 5-8 7-10
Квалификация рабочих Средняя Высокая Высокая
Биологическая и радиационная безопасность Нет Да Да
Культура производства в местах внедрения Средняя Высокая Высокая
Примечание. М - мартенсит, Т - троостит, С - сорбит, Ф - феррит, П - перлит, О ост. А - остаточный аустенит.
Приведенные нами результаты теоретических и экспериментальных работ в области плазменного упрочнения металлов и сплавов показывают тот задел, которым должны воспользоваться разработчики конкретных технологий поверхностного упрочнения деталей машин и инструментов. Так, в частности, в работах [29, 30] рассмотрены вопросы упрочнения конкретных деталей из стали 30ХГСА, 40Х, 45, 65, 65Г. Результаты эксплуатационных испытаний показали существенное повышение срока службы.
Практические результаты
На железнодорожном транспорте актуальными вопросами являются методы повышения износостойкости колеса и рельса [31], математического моделирования динамики подвижного состава [32, 33]. Большой объём работ в этом направлении выполняется в ИрГУПС и ИрНИТУ. Важные практические результаты получены при упрочнении трибосистемы «колесо - рельс», где
интенсивно изнашиваются как железнодорожные рельсы, так и колеса [30, 34]. Проведенные исследования [30, 34, 35] показали, что после плазменного упрочнения срок службы боковой поверхности рельса увеличился в 3 раза. На основании проведенных исследований [7, 10, 11, 21, 30, 34-36] в дальнейшем группа авторов разработала экспериментальную установку плазменного поверхностного упрочнения боковой поверхности рельса [35]. Данная установка прошла промышленные испытания, которые показали высокие эксплуатационные свойства рельсов, прошедших плазменное упрочнение и в дальнейшем уложенных в путь [30]. В работах [30, 36, 37] рассмотрены вопросы наноструктурирования и упрочнения углеродными нанодобавками деталей машин и инструментов.
Впервые эффект наноструктурирования поверхностного слоя после плазменной закалки был обнаружен при разработке технологии плазменного упрочнения рельсов непосредственно в пути
[38] и детально рассмотрен в работах [34, 36, 37]. Показано, что введение нанодисперсных добавок существенно снижает размеры центров кристаллизации при различных технологических методах обработки металлов. Наноструктурирование поверхностного слоя металла в процессе плазменного упрочнения зависит от режимов плазменного нагрева и определяется плотностью теплового потока в пятне нагрева [16, 21, 23, 24]. В работах [34, 36, 37, 39] предложены новые технологические приемы нагрева деталей машин и инструментов, позволяющие на наноуровне структурировать поверхностный слой металла.
В развитие этой темы выполнен целый комплекс подготовительных работ и исследовании [7, 10, 11, 16, 21, 30, 34, 35] с целью разработки
конкретной технологии плазменного упрочнения гребня бандажа электровоза [40, 41]. Визуализация поверхности гребня в процессе плазменного упрочнения по методике [23, 24] позволила внести конструктивные изменения в узел позиционирования плазмотрона и обеспечила дальнейшую автоматизацию процесса [41, 42]. На протяжении более 20 лет по всей РФ проводится плазменное поверхностное упрочнение гребней колесных пар с реальным экономическим эффектом более 100 млн рублей в год [40, 43]. Необходимо отдельно отметить, что впервые в мире в 1989 году установка для технологии плазменного упрочнения гребней колесных пар (рис. 3) была разработана в Иркутском политехническом институте под руководством А. Е. Балановского [43, 44]. Сам технологи-
ческий процесс прошел апробирование на различных дорогах РФ, где отрабатывались различные технологические варианты [43, 45, 46]. В дальнейшем, по мере внедрения в различных депо России технологии А. Е. Балановского, на рынке стали появляться другие производители установок плазменного упрочнения гребней колёсных пар подвижного состава. Комплексная технология контроля гребней бандажей после плазменного упрочнения, представленная в работах [41, 42, 45, 47] и проведенная с различными типами плазменного оборудования на различных дорогах РФ, показала, что в основном работники депо освоили оборудование для плазменного упрочнения, а разработчики усовершенствовали слабые места на установках плазменного упрочнения. Результаты внедрения плазменной технологии по сети дорог РФ показывают [43, 45, 47] увеличение пробега колесных пар после плазменного упрочнения до 180-200 тыс. км (против неупрочненных колес 3040 тыс. км). На предприятиях железнодорожного транспорта РФ и Монголии прошло внедрение технологий плазменного поверхностного упрочнения гребней колесных пар [44, 47] и боковой поверхности рельса рис. 4 [7, 47] с использованием современных методов исследования [23, 24, 34, 48, 49].
Существенных успехов добились разработчики плазменных технологий при их внедрении в инструментальное производство [50], в инструментальное производство инструмента и оснастки из специальных сталей [50, 51] и заготовительное производство [52, 53]. Стойкость инструмента, прошедшего плазменную закалку режущей части, повышается в 2 раза [7, 13, 14, 16, 50, 52]. Новым направлением применения плазменной технологии является поверхностное рафинирование металлов [54], модифицирование металлов [37], а также применения активирующих флюсов из отходов металлургического и химического производства [55, 56]. Большие перспективы для железнодорожной отрасли открываются при использовании технологий лубрикации деталей подвижного состава и в системе «колесо - рельс» [56, 57] и развитии методов математического моделирования динамики подвижного состава [58].
Заключение
В целом, подводя итог проведенного анализа, можно констатировать, что основными разработчиками в России технологий плазменного поверхностного упрочнения являются коллективы, возглавляемые: д. т. н. А. Е. Балановским (Иркутск) и д.т.н. Коротковым В. А. (Екатеринбург, Нижний Тагил). При этом каждый из этих коллек-
тивов обладает уникальными технологиями и знаниями в области плазменного упрочнения деталей машин и инструментов. Так, в частности, В. А. Коротков с единомышленниками разработал множество технологий плазменного упрочнения деталей горнодобывающего, металлургического оборудования, что нашло отражение в многочисленных публикациях в открытой печати.
В области плазменного упрочнения деталей железнодорожного транспорта и, в частности, рельса и бандажа, признанным специалистом в России считается д. т. н. А. Е. Балановский. Им впервые в мире разработано оборудование и технология для плазменного поверхностного упрочнения гребней колесных пар под электровозом, не имеющая на тот момент аналогов в мире. Благодаря разработанному оборудованию и технологии плазменного упрочнения гребней колесных пар, впоследствии внедрённому в 42 локомотивных депо РФ, удалость получить реальный экономический эффект в размере 500 млн рублей. Данное оборудование успешно работает на предприятиях Монголии, Китая. Казахстана, Японии. Многочисленные публикации А. Е. Балановского в открытой печати подтверждают достоверность представленных данных (часть из которых была использована для проведения анализа).
В то же время в конце нам необходимо ответить на вопрос, почему при проведении исследований не использовались зарубежные источники информации по данной теме. Ответ прост: таких источников информации в открытой печати нет. Есть многочисленные работы в области плазменного упрочнения, выполняемые в Украине под руководством д. т. н. С. С. Самотугина (Донецк, Мариуполь) и д. т. н. С. В. Петрова (Киев). В Европе и США промышленные предприятия широко внедряют технологии лазерной закалки деталей машин и инструментов. Приведенные нами выше данные по экономическим показателям технологии плазменного упрочнения показывают ее неоспоримые преимущества по сравнению с лазерными и электронно-лучевыми технологиями.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. М. : Металлургия, 1985. 256 с.
2. Поут Д. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками. М. : Машиностроение, 1987. 424 с
3. Чудина О.В. Комбинированные методы поверхностного упрочнения сталей с применени-
ем лазерного нагрева. Теория и технология. М. : МАДИ (ГТУ), 2003. 248с.
4. Майоров В.С. Лазерное упрочнение металлов// лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок. М. : Физматлит, 2009. 664 с.
5. Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Методы поверхностной лазерной обработки. Т.3. М. : Высш. шк., 1987. 191 с.
6. Полетика И.М., Голковский М.Г., Перовская М.Б. Электронно-лучевая закалка поверхностного слоя стали вне вакуума // Физическая ме-зомеханика. 2006. № 9. С. 181-184.
7. Балановский А.Е. Плазменное поверхностное упрочнение металлов. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2006. 180 с.
8. Плазменное поверхностное упрочнение / Л.К. Лещинский и др. Киев : Техника, 1990. 109 с.
9. Коротков В.А., Бердников А.А., Толстов И.А. Восстановление и упрочнение деталей и инструмента плазменными технологиями. Челябинск : Металл, 1993. 144 с.
10. Балановский А.Е. Основные вопросы теории плазменного поверхностного упрочнения металлов : обзор Ч. 1. // Упрочняющие технологии и покрытия. 2015. № 12. С. 18-30.
11.Балановский А.Е. Основные вопросы теории плазменного поверхностного упрочнения металлов : обзор. Ч. 2. // Упрочняющие технологии и покрытия. 2016. № 1. С. 25-34.
12. Evaluation of the Effect of Modifier Composition with Nanostructured Additives on Grey Cast Iron Properties / V.V. Kondrat'ev et al. // Metallurgist. 2014. Т. 58. № 5-6. С. 377-387.
13.Петухов А.В. Повышение эксплуатационных свойств деталей машин и инструмента поверхностным легированием из плазмы : автореф. дис. ... кан. техн. наук. Иркутск. 1990. 36 с.
14. Гречнева М.В. Плазменное упрочнение металлов в жидких средах // Сварочное производство. 1992. №7. С. 8-12.
15. Получение теплостойких слоев на стали 20 с использованием плазменного нагрева / А.А. Скрипкин и др. // Сварочное производство. 1992. № 11. С. 15-17.
16. Балановский А.Е.. Нестерснко H.A. Плазменное циклическое упрочнение сталей // Сварочное производство. 1992. № 11. С. 19-20.
17. .Балановский А.Е. Упрочнение поверхности катода при взаимодействии с катодными пят-
нами дугового разряда //ТВТ. 1993. Т. 31. № 2. С.328-330.
18. Ву Ван Гюи. Плазменная цементация углеродистых сталей с использованием паст в твердой фазе // Вестн. науки и образования Северо-Запада России. 2015. Т. 1. № 1. С. 205-211.
19. Балановский А.Е., Нестеренко H.A. Проблема водорода при плазменном поверхностном упрочнении // Сварочное производство. 1992. № 11.С. 13-15.
20. Балановский А.Е., Нестеренко H.A. Наводоро-живание поверхностного слоя металла при плазменном легировании из твердой фазы // Изв. вузов. Черная металлургия. 1992 . № 10. С. 39-40.
21. Балановский А.Е. Оценка зерна аустенита при плазменном поверхностном упрочнении сред-неуглеродистых сталей // Упрочняющие технологии и покрытия. 2015. № 06. С. 27-32.
22. Бердников А.А, Филиппов М.А. Студенок Е.С. Структура закаленных углеродистых сталей после плазменного поверхностного нагрева // Металловедение и термического обработка ме-таллов.1997.№ 6. С. 2-4.
23. Балановский А.Е. Визуализация процесса нагрева и плавления металла в анодной области при дуговом разряде с неплавящимся электродом // ТВТ. 2016. Т. 54. № 5. С. 1-8.
24. Балановский А.Е. Возможности цифровой визуализации процесса нагрева и плавления металла при дуговом разряде с неплавящимся электродом // Сварочное производство. 2016. С. 31-39.
25. Балановский А.Е., Ву В.Г.К Вопросу определения пятна нагрева при плазменной поверхностной обработки Ч.1 // Жизненный цикл конструкционных материалов (от получения до утилизации) : материалы докл. VI Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. 2016. С. 105-113.
26. Балановский А.Е., Ву В.Г.К Вопросу определения пятна нагрева при плазменной поверхностной обработки Ч.2 // Жизненный цикл конструкционных материалов (от получения до утилизации) : материалы докл. VI Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием . 2016. С. 105-113
27. Ву Ван Гюи., Балановский А.Е. Пароводянная плазменная цементация в твердой фазе на установке MULTIPLAZ 3500 // Инновации в науке. 2015. № 51-1. С. 95-102.
28.Исхакова Г.А., Рахимов Х.М. Исследование микроструктуры и механических свойств стали 45 после плазменного термоупрочнения // Электронная обработка материалов. 1987. № 5. С.24-27.
29. Восстановительная наплавка и упрочнение роликов рольгангов /Короткое В.А. и др. // Сварочное производство. 1991. № 3. С. 31-33.
30. Исследование структуры рельсовой стали после плазменного поверхностного упрочнения / Ба-лановский А.Е., Гречнева М.В., Гюи В.В. // Упрочняющие технологии и покрытия 2015. № 11. С. 23-32.
31. Гозбенко В.Е., Тувшинтур Б Анализ и пути снижения износа рельсов и колес подвижного состава // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2015. № 3 (47). С. 191 -197.
32. Карлина А.И., Каргапольцев С.К., Гозбенко В.Е Приведение обобщенных сил в математических моделях транспортных систем // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2016. № 3 (51). С. 175-179
33. Гозбенко В.Е., Каргапольцев С.К., Карлина А.И. Приведение динамической системы с тремя степенями свободы к главным координатам // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2016. № 3 (51) С. 35-38.
34. Балановский А.Е. Система колесо-рельс. Ч. 1 : Конец системы колесо-рельс и вновь начало. Иркутск : Изд-во Иркут. гос. техн. ун-та. 2011. 1011 с.
35. Определение оптимальных режимов плазменного упрочнения боковой поверхности рельса на опытной установке ПУР-1 / Медведев С.И. и др. // Сварочное производство. 2014. № 8. С. 28-36.
36.Наноструктурирование стали плазменной дугой / В.А. Коротков // Технология машиностроения. 2011. № 4. С. 1-5.
37. Улучшение свойств серого чугуна кремний диоксид и углеродными наноструктурами / В.В. Кондратьев и др. // Журн. Сибир. федерал. унта. Сер.: Техника и технологии. 2016. Т. 9. № 5. С.671-685.
38. Балановский А.Е. Поверхностное упрочнение рельсов // Путь и путевое хозяйство. 2005. № 11. С. 38-40.
39. Самотугин С.С., Муратов В.А, Ковальчук А.В. Плазменное упрочнение инструментов кольцевой формы // МиТОМ 1997. № 10. С. 2-5.
40. Балановский А.Е. Основные вопросы теории плазменного поверхностного упрочнения металлов. Ч. 3. // Упрочняющие технологии и покрытия. 2016. № 2. С. 20-30.
41. Балановский А.Е. Плетников И.А. Комплексная оценка качества технологии плазменного поверхностного упрочнения бандажей локомотивов // Сварка и Диагностика. 2012. № 3. С. 4550.
42. Балановский, А. Е., Плетников И.А. Комплексная оценка качества технологии плазменного поверхностного упрочнения бандажей локомотивов // Сварка и Диагностика. 2012. № 4. С. 46-50.
43. Балановский А.Е. Результаты внедрения технологии плазменного упрочнения на ВСЖД / А.Е. Балановский // Железнодорожный транспорт. 2006. № 4. С. 28-32.
44.Пат. № 95666 Рос. Федерация. Установка для упрочнения колесных пар железнодорожного подвижного состава / В. Цой, А.Е. Балановский ; патентообладатель НП НЦРИТ ; заявл. 01.01.2010 ; опубл. 10.07.2010.
45. Балановский, А.Е., Плетников И.А. Комплексная оценка качества технологии плазменного поверхностного упрочнения бандажей локомотивов // Сварка и Диагностика. 2012. № 5. С. 49-55
46.Пат. № 2430166 Рос. Федерация. Способ упрочнения железнодорожных колес и железнодорожное колесо с упрочненной рабочей поверхностью / Цой В., Балановский А.Е. 01.03.2010 ; патентообладатель НП НЦРИТ ; опубл. 27.09.2011. Бюл. 27. 27 с.
47. Optimization of plasma hardening conditions of the side surface of rails in PUR-1 experimental equipment/ Medvedev S.I. et al. // Welding International. 2015. Т. 29. № 8. С. 643-649.
48. Balanovskii A.E Visualization of the process of metal heating and melting in the anode zone in an arc discharge with a tungsten electrode // High Temperature. 2016. Т. 54. № 5. С. 627-631.
49. Kargapoltsev S.K., Kornilov D.N., Minaev N.V., Karlina A.I. Definition of the mail coordinates of the car with two-level spring suspension / V.E. Gozbenko et al. // International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Т. 11. № 20. С.10367-10373.
50. Самотугин С.С., Лещинский Л.К.Плазменное упрочнение инструментальных материалов // Донецк : Новый мир, 2003. 338 с.
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
51. Балановский А.Е. Плазменное поверхностное упрочнение специальных сталей // Металлургия машиностроения. 2009. № 5. С. 24-30.
52. Балановский А.Е. Плазменные технологии в промышленности: состояния и перспективы // Заготовительное производство в машиностроении. 2007. № 6. С. 22-26.
53. Балановский А.Е. Плазменные технологии в промышленности: состояния и перспективы // Заготовительное производство в машиностроении. 2007. №. 9. С. 32-36.
54. Ву Ван Гюи, Балановский А.Е., Кондратьев В.В. О поверхностном модифицировании стальных литых заготовок при плазменно-дуговом переплаве // Металлургия машиностроения. 2017. № 1. С. 9-15.
55. Оценка применения продуктов переработки отходов кремния в качестве ультрадисперсных
активирующих флюсов для дуговой сварки / Н.Н. Иванчик и др. // Вестн. Иркут. гос. техн. ун-та. 2016. Т. 20. № 12 (119). С. 165-172.
56. Винокуров Д.И., Гозбенко В.Е. Создание и моделирование новых самзочных композиций из отходов химического производства // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 1. С. 148-156.
57.Применение смазки для системы колесо-рельс,решение проблемы износа с использованием отходов производства / Б. Тувшинтур и др. // Системы. Методы. Технологии. 2015. № 3 (27). С. 23-31.
58. Гозбенко В.Е., Карлина А.И., Каргопольцев С.К. Главные координаты в решении задач вертикальной динамики транспортного средства // Системы. Методы. Технологии. 2016. № 3 (31). С.58-62.
УДК 681.5.08; 621.91.01 Алейников Дмитрий Павлович,
аспирант кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, Иркутский национальный исследовательский технический университет, тел. 8-902-568-1733, e-mail: aleynikov@istu.edu Лукьянов Анатолий Валерианович, д. т. н., профессор кафедры «Физика, механика и приборостроение», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8-904-543-0366, e-mail: loukian@inbox.ru Лукьянов Дмитрий Анатольевич, к. т. н., ведущий технолог технологической службы органа управления ВСЖД - филиала ОАО «РЖД»,
тел. 8-904-110-0255, e-mail: loukian@inbox.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ЦЕНТРОВ
D. P. Aleynikov, A. V. Lukyanov, D. A. Lukyanov
RESEARCH AND VIZUALIZATION OF AMPLITUDE-FREQUENCY CHARACTERISTICS
OF METAL-WORKING CENTER
Аннотация. Одной из проблем производства является высокая вибрация металлообрабатывающего оборудования при обработке деталей фрезерованием. К основным причинам возникновения высокой вибрации относятся неверный подбор режимов резания и резонансы при обработке. В статье приведены результаты применения методов исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) обрабатывающих центров, основанных на согласованном измерении вибрации и частоты вращения шпинделя станка. Вибрация при разгоне шпинделя станка измеряется и регистрируется системой виброударозащи-ты, дополнительно оснащенной оптическим датчиком частоты вращения шпинделя. Для определения амплитудно-частотных характеристик обрабатывающих центров используется программа «AFCMC», разработанная в среде LabVIEW 12.0. Метод позволяет получать спектральную диаграмму для скоростей вращения шпинделя на отдельных заданных этапах. Диаграмма представляет собой трехмерный график, на котором изображена зависимость уровней вибрации как функции частоты вращения от скорости вращения. Программа «AFC MC» позволяет также получать график АЧХ в координатах среднеквадрати-ческое значение (СКЗ) виброускорения (виброскорости) - частота вращения шпинделя. Данный график позволяет выявить области режимов работы станка с высоким общим уровнем вибрации. Полученные данные позволяют корректировать режимы обработки на границе возникновения высоких вибраций и разрушающих сил. Контроль этих параметров и вибрации, в частности, позволит определять техническое состояние станка в реальном времени, а значит, и реализовать эффективную стратегию обслуживания и ремонта станков с учетом фактического состояния.
Ключевые слова: вибрация обрабатывающих центров, обработка данных вибрации, вибродиагностика, нерезонансные режимы обработки.
Abstract. One of the problems of production is the high vibration of metal-working equipment for machining by milling. The main causes of high vibrations are incorrect selection of cutting conditions and resonances in the processing. The article presents the results of research methods of amplitude-frequency characteristics (AFC) of metal-working centers based on consistent measurement of
