CC BY
78
Раздел 2. Технология машиностроения и материалы. САПР отливок ,изготавливаемых в сырых песчано-глинистых формах. Журнал «Литейное производство». № 4, 5 , 1995. 2. Трухов А.П., Волкомич A.A., Сорокин Ю.А., Слободина И.А., Рожков A.M. Особенности технологических моделей в САПР «Отливка». Журнал «Литейщик России». № 8, 2006.
Применение фрактального анализа для описания и оценки стохастически
сформированных поверхностей
д.т.н. проф. Вячеславова О.Ф., Бавыкин О.Б.
Университет машиностроения rayH6aJist.ru
Аннотация. В статье, на примере сплава 1201 предложен современный, основанный на фрактальном анализе, подход для описания и оценки стохастически сформированных поверхностей. Приведены результаты исследования взаимосвязи численных значений фрактальной размерности и параметров технологии размерной электрохимической обработки.
Ключевые слова: фрактальный анализ, фрактальная размерность, РЭХО, шероховатость.
В последние годы в машиностроении наблюдается тенденция изготовления деталей из материалов, полученных современными методами обработки: эпитаксией, золь-гель процессами, электрофизическими и электрохимическими методами.
На поверхностном слое таких изделий присутствуют элементы со сложной и разнообразной формой, распределение которых носит стохастический характер [1]. Случайность структуры проявляется в негауссовой статистке ее поведения с преобладанием степенных законов распределения вероятностей.
Описанная выше черта вызывает проблему адекватного описания процесса образования поверхностного слоя стохастически сформированных поверхностей для последующего его изучения. Применение традиционных методов приводит к потере весомой части полезной информации, в результате чего искажается представление о топологии и топографии поверхностей, и как следствие - понижается достоверность прогнозируемых функциональных свойств деталей и изделий в целом.
Возможным подходом повышения эффективности исследования наноматериалов, учитывающим особенности формирования структуры, может служить применение методов фрактальной геометрии [2].
Предлагаемая концепция реализуется на примере сплава 1201 и размерной электрохимической обработки (РЭХО). Данный материал обладает доказанными фрактальными свойствами сильной интенсивности [3].
Для достижения поставленной цели необходимо решить две задачи:
• установить взаимосвязь между параметрами РЭХО (тип электролита - 15 % NaCl +15% NaN03 или 15 % NaJNTCb; температура электролита - Т; скорость подачи катода-инструмента - Vk; скорость потока электролита - Уэ) и качеством обработанного материала (параметр шероховатости поверхности Ra);
• определить зависимость между фрактальной размерностью поверхности обработанного объекта и параметрами РЭХО.
Первая задача решена в работе [4]. Согласно полученным данным, для сплава 1201 наибольшее влияние на параметр Ra из всех факторов оказывают:
• температура электролита;
• скорость подачи электролита.
Для решения второй задачи были подсчитаны значения фрактальных размерностей по спектру для ряда РЭХО поверхностей (таблица 1).
Расчеты выполнялись в специальной компьютерной программе [5].
Таблица 1
Значения фрактальных размерностей для различных режимов обработки сплава 1201
№ режима Фрактальная размерность по спектру Ds Параметры обработки
1 1.905 15 %№С1 + 15 %№Ж>3; Т = 288 °К; Ук = 0,5 м/мин; Уэ = 12 м/мин
2 2,07 15 % №С1 + 15 % №Ж>з Т = 293 °К; Ук = 1 мм/мин; Уэ = 12 м/мин.
3 2,14 15 % №С1 + 15 % Т = 298 °К; Ук = 1,5 мм/мин; Уэ = 12 м/мин.
4 2,07 15 % №N03; Т = 288 °К; Ук = 1,5 м/мин Уэ = 12 м/мин
5 2,002 15 % №N03; Т = 288 °К; Ук =1,5 м/мин Уэ = 12 м/мин
6 2.103 15 % №N03; Т = 293 °К; Ук = 1,0 мм/мин Уэ = 12 м/мин
Исследование взаимосвязей фрактальной размерности и параметров режима обработки (Тэ и Ук) (рисунки 1, 2) показало, что для сплава 1201 с ростом температуры в интервале от 288 °К до 293 °К Ds возрастает от 1,903 до 2,103, что связано с ростом интенсивности и избирательности процесса анодного растворения сплава.
Dsk
2,3
2,1
1.9'
1,7
2 1 ^ *
г " -Л/
288
293
298
t>
Тз.К
Рисунок 1 - Взаимосвязь Ds и Т° К: 1 - элемент 15 % NaCl + 15 % NaN03; 2 - элемент 15 % NaN03
H
2.1
1.9
Г7
0.5
1 г—■ '
15
Vk мм/мин
Рисунок 2 - Взаимосвязь Ds и Ук: 1 - элемент 15 % NaCl + 15 % NaN03; 2 - элемент 15 % NaN03
Раздел 2. Технология машиностроения и материалы. Причём для нитратного электролита наблюдается тенденция к стабилизации значений Ds в указанном диапазоне температур, а для комбинированного электролита - к росту значений Ds. Стабилизация значений Ds в нитратном электролите объясняется установившимся процессом образования фрактальных кластеров (плёночный механизм формирования поверхности), а небольшой рост этих значений в комбинированном электролите - активным действием ионов хлора, способствующим дальнейшему развитию процесса избирательного травления материала.
Увеличение скорости подачи катода-инструмента Ук приводит к некоторому снижению Ds (от 2,1 до 2,0) при обработке сплава в нитратном электролите, что связано с пассивирующим действием. Дальнейшее увеличение скорости подачи катода-инструмента приводит к уменьшению гидродинамики процесса ЭХО и увеличению значений Ds. Для комбинированного электролита в диапазоне скоростей от 1 до 1,5 м/мин формируется зона с постоянным значением Ds (~ 2.1).
При обработке сплава 1201 в нитратном электролите значение Ds слабо изменяются в зависимости от скорости течения электролита, в силу чего формирующуюся поверхность можно охарактеризовать как самоорганизующуюся иерархическую структуру, обладающую свойством анизотропности.
РЭХО также демонстрирует преобладающий вклад химических (электрохимических) процессов в формировании поверхностных структур. Методы фрактальной и электрохимической обработки различаются лишь во втором порядке.
Для получения однородной поверхности с развитой иерархией элементов необходимо поддерживать:
• температуру электролита в интервале 293 - 295 °К;
• скорость течения электролита - в диапазоне от 32 до 52 м/мин;
• скорость перемещения катод - инструмента - от 0,5 до 1 м/мин.
Заключение
Таким образом, можно заключить, что, изменяя параметры различных режимов методов обработки, можно влиять на степень иерархичности поверхностей структуры, её анизотропность и на процесс кластерообразования в целом, что отражается в численных значениях фрактальной размерности. Уровень иерархичности поверхности связан с величиной фрактальной размерности Ds этой поверхности, т.е. фрактальная размерность есть мера иерархичности структуры.
Иерархичность поверхности может определять эксплуатационные свойства деталей, например, трибологические свойства, усталостную прочность, коррозионную стойкость и др.
Выявленные в данной работе зависимости между фрактальной размерностью и параметрами РЭХО, а также установленные в работе [4] взаимосвязи между параметром шероховатости поверхности Ra и режимами РЭХО дают основания для разработки многомерной шкалы [6, 7]. Это позволит, имея на выходе один параметр (фрактальную размерность), оценивать качество обработанных поверхностей и при необходимости метать его через параметры РЭХО.
Литература
1. Потапов A.A., Булавкин В.В., Герман В.А., Вячеславова О.Ф. Исследование микрорельефа обработанных поверхностей с помощью методов фрактальных сигнатур. // ЖТФ. 2005. Т. 75, №5. с. 28-45.
2. Вячеславова О.Ф. Современные технологии обработки материалов в свете теории фракталов и ее практического приложения. Статья в журнале "Упрочняющие технологии и покрытия". -М.: Машиностроение, 2006, № 2, с. 34-43.
3. Бавыкин О.Б, Вячеславова О.Ф. Определение интенсивности фрактальных свойств поверхностей конструкционных материалов по данным статистического анализа. // Труды международной 77-й научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров». - Москва, 2012.
4. Бавыкин О.Б., Вячеславова О.Ф. Формирование наименьшего значения шероховатости
поверхности деталей машин на основе выбора оптимальных режимов размерной электрохимической обработки. M.: «Известия МГТУ МАМИ» № 2(10), 2010.
5. Потапов A.A. Фракталы, скейлинг и дробные операторы в обработке информации. (Московская научная школа фрактальных методов в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 1981 — 2011 гг.) // Сб. науч. тр. "Необратимые процессы в природе и технике" / Под ред. B.C. Горелика и А Н. Морозова. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. Вып. IV. с. 5 - 121.
6. Бавыкин О.Б., Вячеславова О.Ф. Многомерная шкала для комплексной оценки качества поверхности и функциональных параметров электрохимически обработанных изделий. // Труды национального научного симпозиума с международным участием «Метрология и метрологическое обеспечение 2010»,- Болгария, 2010.
7. Вячеславова О.Ф., Зайцев С.А., Бавыкин О.Б. Моделирование процесса формирования структурногеометрических и эксплуатационных свойств поверхности и их оценка на основе многомерной шкалы. // Труды семинара «Передовые российские технологии». Мадрид, 2011.
Особенности механической обработки деталей из керамических
материалов
д.т.н. доц. Горелов В.А., Алексеев C.B.
Университет машиностроения assamodelkin(ci),mail.ru, (919) 049-00-74
Аннотация. В статье показаны особенности алмазного шлифования деталей из керамических материалов и предложены новые направления исследования повышения качества поверхности деталей из керамики.
Ключевые слова: керамика, алмазное шлифование
На современном этапе производства при создании авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) повышаются требования к теплонагруженности основных конструктивных элементов двигателя. Так, температура рабочего газа перед турбиной достигает 1850 - 2100 К, к тому же значительно повышаются требования по надежности и сроку службы. Столь большие температурные нагрузки в окислительной среде с одновременным воздействием знакопеременных силовых нагрузок приводят к тому, что большинство общепринятых и широко используемых в авиационной технике высокопрочных легированных сплавов неработоспособны из-за значительной деградации их физико-механических характеристик. Поэтому материалами, которые могут широко использоваться в ГТД, являются керамические композиционные материалы.
Применение керамических материалов (КМ) обусловлено следующими преимуществами: сохранением механических свойств при высоких температурах, высокой износостойкостью и антикорозийностью.
Из недостатков КМ основным считается хрупкость, обусловленная жесткостью связей в кристаллической решетке. В настоящее время основные усилия исследователей при разработке КМ направлены на преодоление хрупкости, повышение уровня прочности, термостойкости и ударной вязкости.
Высокая твердость, отсутствие пластичности, низкая стойкость к тепловым ударам, склонность к растрескиванию создают трудности при механической обработке, особенно при получении изделий сложной геометрической формы с высокой точностью и качеством обработки. Создание высокоэффективных методов обработки КМ представляет одну из сложнейших задач современного машиностроения.
Основным методом получения высокоточных поверхностей деталей из КМ является шлифование. Обрабатываемость КМ определяется следующими факторами: механическими свойствами керамики (зависящими от условий и параметров спекания), жесткостью технологической системы и режимами резания.
