CC BY
46
Из жизни вуза
67
В. МЕЛЮКОВ, профессор А. ЧИРКОВ, доцент А. КОРЕПАНОВ, доцент
Инновационные направления в сварочной науке и технологии
В Вятском государственном университете на факультете автоматизации машиностроения ведется научно-исследовательская работа в области электронно-лучевой, лазерной и лазерно-плазменной сварки и поверхностной обработки материалов с целью разработки оптимальных и высокоэффективных технологических процессов, а также создания систем управления этими процессами.
Первые результаты по этим направлениям были получены в Кировском политехническом институте в 70-е и 80-е гг. совместно с Институтом металлургии им. А.А. Байкова АН СССР. В те годы существовало тесное научное сотрудничество между кафедрой теоретической и строительной механики КирПИ и лабораторией «Плазменные процессы в металлургии и обработке материалов», которой руководил академик Н.Н. Рыкалин. Под непосредственным руководством сотрудника этой лаборатории профессора А.А. Углова коллектив кафедры разработал математические модели оптимального управления тепловыми процессами обработки материалов концентрированными потоками энергии и предложил новые способы электронно-лучевой сварки и локальной термической обработки материалов пучком электронов.
В теории тепловых процессов сварки на основе этих моделей были впервые сформу-
лированы задачи оптимизации режима воздействия источника нагрева с учетом ограничений на величину его мощности. По результатам научной работы было получено более десяти авторских свидетельств, патентов, защищены кандидатские диссертации. Данные математические модели оптимального управления были использованы Научно-исследовательским конструкторским институтом энерготехники (в настоящее время - НИКИЭТ им. академика Н.А. Доллежаля) при разработке технологических процессов электронно-лучевой сварки технологических каналов атомных электростанций.
В настоящее время исследования по электронно-лучевой, лазерной и лазерно-плазменной обработке материалов развиваются на кафедре «Сопротивление материалов».
Ее сотрудниками создан комплекс автоматического управления технологичес-
68 Высшее образование в России • № 3, 2006
ким процессом электронно-лучевой сварки и локальной термоциклической обработки сварного соединения на основе персональной ЭВМ типа IBM PC. Разработанный комплекс прошел испытания сначала на электронно-лучевой установке в НИКИЭТ (г. Москва), а затем на заводской установке в ОАО «Чепецкий механический завод» (г. Глазов). Исследования показали, что качество сварных соединений повышается, сохраняется повторяемость технологических параметров, что очень важно для изделий ответственного назначения. Применение термоциклической обработки сразу после сварки и наплавки позволяет много-
ра-сварщика. На рис.1 в качестве примера изображена структурная схема управления разверткой луча. С помощью небольшой клавиатуры сварщик задает основные параметры развертки: масштаб, форму и поворот относительно осевой линии. Причем делает эти операции на малом токе электронного луча, визуально наблюдая в камере установки за этими параметрами. Каждая операция выполняется по принципу «больше-меньше» путем удержания нужной кнопки на клавиатуре, поэтому никаких трудностей не представляет. Клавиатура размещается на передней панели пульта управления установкой.
Клавиатура
Микроконтроллер
ЦАП х Усилитель развертки по х
ЦАП у Усилитель
развертки по у
Рис. 1. Структурная схема управления разверткой луча
кратно сократить межоперационное время, сэкономить электроэнергию, уменьшить длительность сильно-затратного термического отжига в печах, обеспечить более полную загрузку оборудования в условиях малосерийного и единичного производства. При этом выявилась и основная проблема комплекса автоматического управления: сложность обращения оператора-сварщика с компьютером во время технологического процесса. Для решения этой проблемы была реализована идея автоматизации управления процессом по раздельным схемам управления: управление разверткой луча, управление величиной тока, управление вакуумом, управление двигателями вращения изделия и подачей присадочной проволоки. Современная элементная база электроники - микроконтроллеры - позволяет сравнительно быстро и легко реализовать автономные блоки, часть из которых для удобства можно встроить в пульт операто-
По результатам этих разработок получен патент и готовится к защите докторская диссертация.
В последние десятилетия в науке и промышленных технологиях передовых стран мирового сообщества широкое применение находят лазерная техника и лазерные технологии. Лазерная техника, синтезировав достижения электроники, оптики и робототехники, стала однимизведущих направлений научно-технического развития конца ХХ в. Многие отрасли промышленности - автомобильная, электронная, инструментальная, аэрокосмическая - не могут обходиться без технологий лазерной резки, сварки, термообработки, маркировки и гравировки, которые практически уже стали классическими.
Современные технологии лазерной сте-реолитографии, лазерной литографии, лазерной очистки поверхности и лазерного сверления отверстий в значительной мере
Из жизни вуза
69
потеснили классические технологии обработки материалов. Спектр применения лазеров чрезвычайно широк: медицина(хи-рургия, офтальмология, терапия, косметология и т.д.), контроль и мониторинг атмосферы, полиграфия, биомедицинские исследования клеток и протеинов, аналитических последовательностей ДНК и т.д.
В соответствии с потребностями современных производств и высоких технологий одним из основных научных направлений кафедры «Сопротивление материалов» в настоящее время является лазерно-плаз-менная химико-термическая обработка (цементация, азотирование, нитроцементация, борирование и т.д.), лазерно-плазменное полирование поверхности, лазерно-плаз-менное управление триботехническими свойствами поверхности, формирование поверхностных нанокристаллических структур, лазерно-плазменное формирование поверхностных субмикрокристаллических структур при атмосферных условиях.
Современные классические методы химико-термической обработки обладают рядом существенных недостатков: значительной длительностью технологических циклов, которые могут достигать нескольких десятков часов, высокой энергоемкостью и низкой экологичностью.
Лазерно-плазменная химико-термическая обработка производится при атмосферных условиях и в значительной мере устраняет вышеуказанные недостатки и позволяет получить существенно более высокое содержание легирующих химических элементов (углерода, азота, бора и др.) в поверхностных слоях.
Существующие классические технологии локального поверхностного термического упрочнения режущего инструмента - плазменные, лазерные, импульсные электродуговые и другие - позволяют повысить ресурс работы режущего инструмента в 1,5-3 раза, но на данном этапе современного машиностроения эти способы упрочнения практически исчерпали свои возможности по эффективности и не по-
зволяют повысить износостойкость в десятки раз.
Современные технологии получения инструмента из компактных нанокристал-лических материалов методами магнито-импульсного прессования, кристаллизации аморфных сплавов, интенсивной пластической деформации, напыления на подложку - позволяют значительно повысить стойкость инструмента, но являются достаточно дорогими, низкопроизводительными и имеют ряд существенных недостатков. Поэтому в тех случаях, когда конструкционная прочность материала удовлетворяет требованиям эксплуатации, для повышения износостойкости поверхности экономически более целесообразно создавать наноструктурные поверхностные слои, а не изготавливать деталь или инструмент из нанокристаллических материалов.
Важным направлением научных исследований кафедры являются гибридные технологии обработки материалов с применением лазерного излучения. В частности, была разработана и внедрена в серийное производство технология для сварки лучом лазера штока компрессора бытового холодильника.
Современное развитие машиностроения требует широкого внедрения сварочных технологий с целью снижения себестоимости выпускаемой продукции. Но это сопряжено с определенными трудностями, связанными с технологической прочностью сварного соединения при соединении деталей, имеющих высокий углеродный эквивалент (например, если свариваемые материалы прошли химико-термическую обработку). Использование гибридных технологий лазерной сварки позволяет решить проблемы свариваемости сталей с высоким углеродным эквивалентом.
Научные исследования и разработка новых технологий производятся в лаборатории обработки материалов концентрированными потоками энергии при Межвузовском научно-исследовательском центре коллективного пользования (МНИЦ КП)
70
Высшее образование в России • № 3, 2006
Вятского государственного университета. В МНИЦ КП для лаборатории выделен отдельный корпус общей площадью 500 кв. м, в котором оборудованы три участка: электронно-лучевой сварки, лазерной обработки материалов и электродуговой сварки.
Лаборатория является учебной базой для специальностей 120700 «Машины и технологии высокоэффективных процессов обработки материалов», 120500 «Оборудование и технология сварочного производства», а также для технологической практики студентов по специальности «Технология художественной обработки материалов». В настоящее время готовятся документы для утверждения в УМО специализации по нанотехнологиям и гибридным технологиям обработки материалов концентрированными потоками энергии.
Результаты научных исследований и практических разработок кафедры университет регулярно экспонирует на областных, региональных и международных выставках. В частности, на международной выставке LIC Russia, которая проходила в КВЦ «Сокольники» в марте 2005 г., ВятГУ демонстрировал гибридные технологии локального лазерного упрочнения поверхности и тех-
нологии лазерно-плазменного нанесения алмазоподобных покрытий и формирования наноструктурных поверхностных слоев при атмосферных условиях. Результатами этих разработок заинтересовались специалисты из Германии и Голландии. Для внедрения этих технологий в промышленность (автомобилестроение, судостроение и сельхозмашиностроение) Европы подписан Протокол о намерениях между ВятГУ и университе-томГронингена (Нидерланды).
Сотрудники кафедры «Сопротивление материалов» с начала 90-х гг. регулярно принимали участие в конкурсах Минобразования России по научно-техническим программам «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники».
В связи с тем, что в 2005 г. ВятГУ выиграл конкурс «Живые системы», одним из новых научных направлений работы кафедры «Сопротивление материалов» стало применение низкоинтенсивного лазерного излучения для биостимуляции живых систем, в частности при лечении больных гемофилией. Эта научная работа проводится в тесном сотрудничестве с Институтом гемофилии и переливания крови (г. Киров).
И. трушкова, профессор ГУманитаРные технологии
в образовании
Модернизация гуманитарного образования в российской провинции предполагает поиск путей активизации в нем де-ятельностного, созидательного начала. В систему образования будущих историков активно вводятся поэтому элементы так называемых новых гуманитарных технологий.
В 2002 г. в структуре Вятского государственного университета появился гуманитарный факультет, в рамках которого развиваются специальности «История» и «Культурология». Перед факультетом стоит задача - не только развить «классичес-
кий» университетский стиль преподавания, но и ввести в образовательный процесс новые технологии, более эффективные для выпуска гуманитариев - профессионалов, работающих с обществом.
С начала XXI в. с развитием в жизни российской провинции постиндустриальных явлений и изменением общественной ситуации в гуманитарном образовании требуются инновационные подходы: традиционные образовательные технологии - лекции, экзамены, дипломные работы и т.д. - не всегда срабатывают.
