CC BY
18
УДК 621.787.4.07:534.8 Крылова Н.А., Шуваев В.Г.
ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет», Самара, Россия ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ
В работе раскрыты вопросы обеспечения и качества поверхностного слоя детали с помощью дополнительных ультразвуковых колебаний. Описывается разработанное устройство для формирования сложных колебательных воздействий, позволяющее создавать на поверхности детали регулярный микрорельеф Ключевые слова:
ФИНИШНАЯ ОБРАБОТКА, ПОВЕРХНОСТЬ ДЕТАЛИ, УЛЬТРАЗВУК, СЛОЖНЫЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
Известно, что разрушение деталей в процессе эксплуатации, чаще всего начинается с поверхности, так как поверхностные слои подвергаются активному воздействию внешней среды, оказываются наиболее напряженными, являясь границей раздела фаз. В связи с чем возникает необходимость улучшения физико-механических характеристик и геометрии рабочих поверхностей деталей, причем состояние рабочей поверхности детали оказывает влияние на такие ее эксплуатационные свойства, как износостойкость, усталостная прочность, коррозионная стойкость и др.
К одному из наиболее эффективных и экономичных видов упрочнения относится поверхностное пластическое деформирование (ППД), дающее возможность более полно реализовать потенциальные свойства конструкционных материалов в реальных деталях, особенно в деталях сложной формы с концентраторами напряжений [1]. Одним из эффективных методов решения задач, возникающих при ППД, является наложение ультразвуковых колебаний, дающих возможность существенно модифицировать свойства поверхностных слоев деталей путем высокоэнергетического воздействия гармоническими колебаниями ультразвуковой частоты, управлять в некоторых пределах микрогеометрией формируемой поверхности, её твёрдостью, степенью деформационного упрочнения, а также получать регулярный микрорельеф [2]. При такой обработке обрабатываемая поверхность детали подвергается выглаживающему воздействию инструмента (индентора) статической силой под постоянным давлением с одновременным наложением ультразвуковых колебаний с частотой 18-2 4 кГц. Основные преимущества уль-
тразвуковой ППД определяются высокой производительностью и простотой процесса обработки, незначительным постоянным давлением на обрабатываемую поверхность, возможностью использования универсальных металлорежущих станков.
Получаемый при ППД микрорельеф поверхности зависит от многих факторов, таких как усилие прижима инструмента, амплитуда колебаний, глубина внедрения инструмента, радиус инструмента, радиус детали, начальной шероховатости детали и т. д. Выбор параметров обработки является одним из важнейших факторов обеспечивающих качество поверхностного слоя детали, причем оптимальный выбор параметров возможен на основе результатов косвенных измерений контактной жесткости пары обрабатываемая деталь - инструмент, путем измерения усилия прижима инструмента к детали.
На рис. 1 представлено разработанное авторами ультразвуковое устройство для формирования микрорельефа поверхностей цилиндрических деталей с контролем усилия прижима. Устройство содержит концентратор 2, на выходном конце которого размещается деформирующий элемент - шарик 1, который воздействует на обрабатываемую поверхность. Для возбуждения ультразвуковых колебаний применен пакетный пьезокерамический преобразователь 4, зажатый при помощи шпильки и гайки 7 между концентратором 2 и противовесом 6. На боковой поверхности концентратора выполнены наклонные пазы 3, позволяющие возбуждать продольно-крутильные колебания деформирующего элемента. Кроме того, деформирующий элемент смещен относительно оси концентратора, что приводит к формированию сложной траектории вибрационного воздействия на поверхность обрабатываемой детали.
Рисунок 1 - Схема установки датчика усилия в устройство
Для измерения силы прижима или статического усилия при обработке поверхностного слоя детали использованы тензочувствительные элементы, встроенные в конструкцию УЗ обрабатывающего устройства [4]. Датчик усилия 5 установлен между пьезоэлектрическими преобразователями 4 и прижимной крышкой - противовесом 6 инструмента для ультразвуковой обработки через центральное отверстие с помощью болта
Датчик содержит два дисковых тензочувстви-тельных пьезорезонатора, причем были использованы серийно выпускаемые пьезоэлементы из пье-зокерамики типа ЦТС-19 с наружным диаметром 4 6 мм, диаметром центрального отверстия 16 мм, толщиной 9 мм. Токосъемные шайбы из латунной фольги помещены между пьезорезонаторами. Поверхности корпуса, контактирующие с пакетом пьезорезона-торов, выполнены в виде концентраторов усилия, причем измеряемое усилие прикладывается к датчику вдоль его оси.
В процессе ультразвуковых вибрационных воздействий на поверхность обрабатываемой детали в ней возникают быстропротекающие деформации, приводящие к возбуждению упругих и пластических волн напряжений, причем возникающие при ультразвуковой обработке силы изменяются по гармоническому закону с учетом постоянной составляющей, определяемой силой прижима индентора к детали.
Формирование сложных вибрационных полей в процессе ультразвуковой обработки повышает эффективность применения и расширяет возможности управления ультразвуковой обработкой, а смещение деформирующего элемента от оси концентратора на различное расстояние и под различными углами относительно оси обрабатываемой детали существенно расширяет виды формируемых регулярных микрорельефов поверхности. Наложение ультразвуковых колебаний приводит к импульсному воздействие ин-дентора на поверхность детали, вращательно-по-
ступательное движение инструмента, а также линейное перемещение инструмента вдоль оси детали обеспечивает регулярный микрорельеф поверхности. Рисунок, полученный в результате наложения колебаний, меняется в зависимости от следующих составляющих: частота колебаний, угол смещения наконечника (относительно центра), скорость движения инструмента вдоль тела детали, скорость вращения самой детали.
Технический результат предлагаемой разработки заключается в повышении эффективности и расширении технологических возможностей ультразвуковой финишной обработки наружных цилиндрических
поверхностей деталей с целью повышения их эксплуатационных характеристик, улучшении качества обработанной поверхности, повышения надежности и долговечности ее работы, сокращения длительности приработки. Контроль усилия прижима позволяет стабилизировать качество обработки поверхности деталей. Введение в зону деформации ультразвуковых колебаний привело к увеличению износостойкости поверхностного слоя в 1,5 - 2 раза по сравнению с традиционными способами ППД, площадь относительной опорной поверхности увеличивается на 35 - 50 % при глубине наклепанного слоя до 1 мм [5].
ЛИТЕРАТУРА
1. Смелянский, В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированиемх [Текст] / В.М. Смелянский; М.: Машиностроение, 2002. - 300 с.
2. Шуваев, В.Г. Инструмент для формирования параметров качества поверхностного слоя деталей при ультразвуковой финишной обработке [Текст] / В.Г. Шуваев, В.А. Папшев, И.В. Шуваев // СТИН. -2012. № 10. С. 37-40.
3. Патент РФ № 2393076. Способ ультразвуковой финишной обработки наружных цилиндрических поверхностей / В.Г. Шуваев, В.А. Папшев, И.В. Шуваев // 21.06.2010. Бюл. № 18.
4. Шуваев, В.Г. Направленное формирование параметров качества поверхностного слоя деталей при ультразвуковой финишной обработке [Текст]/ В.Г. Шуваев // Международный симпозиум «Надежность и качество», Пенза, 2015. С.168-169
5. Шуваев, В.Г. Влияние режимов ультразвуковой обработки на свойства цилиндрических поверхностей / В. Г. Шуваев, Н.А. Крылова // Международный симпозиум «Надежность и качество», Пенза, 2016. №2 С.185-186.
УДК 539.23
Сигаев А.П., Аверин И.А., Карманов А.А., Пронин И.А., Якушова Н.Д.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СЕНСОРОВ В СОСТАВЕ ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ НАНОСТРУКТУР И ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
Влияние оптического излучения на чувствительность наноструктур на основе смешанных оксидов металлов является актуальной задачей с точки зрения улучшения характеристик газовых сенсоров. В качестве источников, воздействующих на чувствительный элемент газового сенсора, могут быть использованы лазеры низкой мощности, светодиоды или тонкопленочные электролюминесцентные излучатели. Ионы редкоземельных металлов, в частности ионы неодима, имеют широкое применение в производстве компонентов для оптоэлектронных устройств, лазеров за счёт их люминесцентных свойств. Кроме того, тонкопленочные электролюминесцентные излучатели на основе наночастиц LaF3:Nd>+ в качестве люминофора могут стать приемлемым источником оптического излучения для повышения эффективности наноструктур для газовых сенсорво на основе смешанных оксидов металлов (SnO2, ZnO, lnjO})-
Представлены результаты формирования многокомпонентных оксидных систем на основе широкозонных полупроводниковых оксидов n- и p-типа электропроводности (например, SiO2-SnO2, SiO2-SnO2-ZnO) золь-гель-методом, а также наночастиц фторида лантана, легированных ионами неодима. Приведены результаты исследования свойств наноструктур на основе двух- и трехкомпонентных оксидов металлов с фрактальной структурой в зависимости от их качественного и количественного состава.
Проведена оценка степени агломерации и размера полученных частиц LaF3:Nd3+ с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Проанализированы процессы, происходящие при обработке наноструктур маломощным лазерным пучком. Исследованы люминесцентные свойства полученных наночастиц с использованием спектрофлуориметра.
Ключевые слова:
ГАЗОВЫЕ СЕНСОРЫ, СМЕШАННЫЕ ОКСИДЫ, ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ИОНЫ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ, ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА, ПРОСВЕЧИВАЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ, СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯ
Введение
Наноструктуры на основе многокомпонентных систем, в частности, смешанных оксидов уже широко используются для разработки газовых сенсоров адсорбционного типа и по-прежнему вызывают большой интерес для дальнейших фундаментальных и прикладных исследований. Перспективы модернизации газовых сенсоров заключаются в совершенствовании их конструкции, свойств материалов для чувствительного элемента, использовании внешних факторов с целью достижения наилучших показателей чувствительности, стабильности и селективности к детектируемым газам и их производным.
В конструктивном плане видна тенденция на упрощение устройства с сохранением или улучшением конечных характеристик. При изготовлении чувствительных элементов сенсоров газа на основе наноструктурированных материалов основное внимание направлено на усовершенствование различных свойств материалов за счёт оптимизации существующих методик синтеза, изменения технологических режимов, введения дополнительных обработок [12] и исследование свойств полученных материалов [3-5].
Существует ряд работ, в которых рассматривается возможность повышения эффективности чувствительного элемента с помощью воздействия оптического излучения. Причём, источником подобного излучения может быть светодиод [6, 7], маломощный лазер [8, 9] или тонкопленочный электролюминесцентный излучатель.
Ионы редкоземельных металлов, в частности ионы неодима, имеют широкое применение для опто-электронных устройств, лазеров за счёт их люминесцентных свойств. Фторид лантана LaFз может выступать в роли фиксирующей матрицы для ионов неодима. Таким образом, наночастицы фторида лантана, легированные ионами неодима, могут стать источником оптического излучения для воздействия на чувствительный элемент газового сенсора.
Основная часть
Наноматериалы на основе широкозонных полупроводниковые оксидов п- и р-типа электропроводности (например, Бп02, ZnO, ТЮ2, 1П2О3 и т.д.), а также многокомпонентных оксидных систем (например, 3102-Бп02, Б102-Зп02^п0) уже достаточно давно являются классическими для целей газовой сенсорики. Для их синтеза используются различные физические и химические методы, в зависимости от условий получения в широком диапазоне варьируются их структура, качественный и количественный состав, а также ряд других параметров. Перспективным методом получения данных наноматериалов является золь-гель метод, который позволяет синтезировать иерархические структуры с фрактальным типом пространственной организации [10]. В рамках данного метода разработаны наноструктуры на основе окиси цинка и диоксида олова, обладающие высоким сенсорным откликом к газам-восстановителям. Также предложены структуры с перколяци-онным кластером, возникающим и исчезающим при появлении анализируемого газа, а как следствие
