CC BY
23
5. Математическая теория планирования эксперимента/ под ред. С.М. Ермакова. - М.. Наука. 1983. — 392 с.
СГИХАІЮВСКИЙ Борис Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Детали машин» Омского государственного технического университета.
Адрес для переписки: e-mail: bstish@mail.ru ЭДИГЛРОВ Вячеслав Робертович, кандидат технических наук, начальник кафедры технологии произ-
УДК 622.233:622
водеггпа бронетанковой техники Омского танкового инженерного инсгитута.
Адрес для переписки: e-mail: edigarovs@mail.ru МАЛЫЙ Вячеслав Витальевич, преподаватель кафедры технологии производства бронетанковой техники Омского танкового инженерного инсги тута. Адрес для переписки: e-mail: bstish@mail.ru
Статья поступила и редакцию 17.11.2009 г.
<ё> Б. Н. Стихановский, В. Р. Эли пз ров, В. В. Малый
Д. И. ЧЕРНЯВСКИЙ Д. Д. ЧЕРНЯВСКАЯ
Омский государственный технический университет
ПРИМЕНЕНИЕ УДАРНОГО ПРОЦЕССА ДЛЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
На основании проведенных исследований предложена конструктивная схема пресса, формирующего в рабочей зоне значительные усилия при ходе пуансона несколько микрометров. Полученные результаты рекомендуются для использования на машиностроительных и приборостроительных предприятиях г. Омска и Сибирского федерального округа для изготовления высокоточных изделий методами прессования. Ключевые слова: удар, нанотехнология, прессование, давление.
«Нанотехнология, безусловно, будет ключевой отраслью для создания сверхсовременного и сверх-эффективного как наступательного, так и оборонительного вооружения, а также средств связи. Это направление деятельности, на которое государство не будет жалеть средств».
В. В. Путин
Одним из перспективных методов современного развития науки и техники являются нанотехнологии. Но современному определению, нанотехнологиями называется междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной с труктурой путем контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
Основным отличием нанотехнологий от традиционных технологий является возможность манипулирования с объектами размером менее 100 нанометров. Иными словами, можно создавать микрообъекты, одно или несколько измерений которых находится в данном диапазоне (наночасгицы, нанопорошки — 3 измерения в диапазоне до 100 нм; нанотрубки, нано-волокна — 2 измерения в диапазоне до 100 нм; нано-пленки — 1 измерение в диапазоне до 100 нм) или макрообъекты, часть которых формируется целенаправленно на уровне отдельных атомов.
Нанотехнологии качественно отличаются от существующих традиционных технологий в силу того, что д ля таких размеров необходимы попые способы
обработки материалов, а также из-за того, что в действие вступают физические явления, которые существенно влияют только на о тдельные объекты микромира. Современные нанотехнологии сейчас находятся в начальной стадии развития, поскольку основ-т.те открытия, предсказываемые в гггой области, пока не сделаны.
Невзирая на кризис, российские власти серьезно подошли к развитию нанотехнологий. За счет нано-индустрии государство надеется, наконец, диверсифицировать экономику, перейдя «с концепции сырьевого придатка на инновационные рельсы». «Кризис не смог сократить бюджет « Роснано», заявил президент Дмитрий Медведев в середине октября 2009 г. в рамках Второго международного форума но нанотехнологиям. Как было сообщено, на инвестиции в сферу нанотехнологий «Роснано» выделят 320 млрд рублей до 2015 года. Объем продаж нанотехнологической продукции к тому моменту должен составить 900 млрд рублей. К 2015 году «Роснано» должна выйти па самоокупаемость — зарабатывая деньги из продаж доли в уже действующих проектах, госкорпорация будет их вкладывать в новые нанотехнологические производства, заявил глава «Роснано» Анатолий Чубайс. К 2015 году российское правительство планирует удвоить экспорт высокотехнологичной продукции из России. Российские аналитики пока высказываются консервативно — по их оценкам, вклад нашей страны в мировую наноиндустрию к 2015 году не превысит 1,5 — 2%.
По оценкам аналитиков, мировой рынок нанотехнологий ежегодно будет расти на 20 % до 2013 года. В потребительском сегменте рост будет еще более
as
П-
и
£>
-о
Рис. I. Применение улвриой системы в качество пресса
впечатляющим. До 2013 года объем рынка товаров, произведенных с использованием нанотехнологий, достигнет 1,бтрлн долларов, увеличиваясь ежегодна в полтора раза. Лидерами рынка нанотехнологий по темпам роста будут страны Азиатско-Тихоокеанского региона, на втором месте — Европа. Позитивного прогноза аналитиков также удостоились Россия, Китай и Индия.
По мнению аналитиков, инвестиции в нанотехнологии для многих стран стали серьезной, стратегической задачей, реализация которой легко окупится в будущем. Наноразработки повлияют на самые разные экономические сферы, включая медицину, машиностроение, сельское хозяйство и космическую промышленность.
В «Роснано» сейчас находится 1200 запросов на ианопродукцию со всего мира. За полтора года в стране было запущено с троительство 36 заводов наноин-Аустрии, общий объем инвестиций в уже реализуемый проекты — 93 млрд руб. Развиваются такие проекты: строительство завода полимерных и наиокомпозит-ных материалов, солнечный кластер, заводпо производству светодиодов, завод по производству каскадного плазмофореза для очистки крови, а также производство современных упаковочных материалов в Татарстане.
Правда, пока серьезным сдерживающим фактором д\я развития наноиндустрии остается человеческий потенциал. По подсчетам Анатолия Чубайса, к 2015 г. в сфере иапоиидустрии должны работать 150 тыс. человек, в том числе 100 тыс. — высшей квалификации.
Таким образом, необходимость развития и последующего внедрения нанотехнологий в жизнь человечества не подлежит сомнению.
Рассмотрим применение ударных процессов в сфере нанотехнологий. Изучениеударных процессов относится к числу наиболее актуальных проблем прикладной механики, связанных с оценкой поведения различных конструкций в условия воздействия интенсивных нагрузок импульсного характера. Такие
нагрузки имеют место в условиях эксплуатации многих современных сооружений, машин и приборов.
Все работы в области исследования процесса удара можно разделить на следую! цие основные направле! шя:
— изучение внутренних закономерностей процесса удара;
— исследование физико-механических свойств материалов в условиях динамического нагружения;
— оценка влияния импульсного нагружения на различные конструкции и сооружения.
Машины ударного действия обладают уникальным свойством — они способны создавать в контакте инструмента с обрабатываемым материалом усилия, в сотни и тысячи раз превышающие усилия в опорных устройствах машины. Это достигается в результате преобразования постоянного потока энергии, подводимой к машине, в дискретную последовательность ударных импульсов, которые по упругому волноводу, передаются к обрабатываемой среде в виде волн деформации.
Рассмотрим случай использования ударной системы в качестве пресса для формирования микро перемещений в обраба тываемом материале за достаточно малый промежуток времени (десятки и сотни микросекунд). Достижение заданных параметров позволит использовать данную установку в нанотехнологиях, рис. 1.
Боек 1 наносит удар но пуансону 2, жестко закрепленному в опорах 5. В результате ударного взаимодействия бойка 1 об ударный торец пуансона 2, в пуансоне формируется ударная волна, которая, разгружаясь на обратном (рабочем) конце пуансона, уд\иняет его. В результате такого удлинения рабочий конец пуансона воздействует на обрабатываемый материал 4, закрепленный на поверхности 3.
В работе [1) приведена программа для ПЭВМ но расчету параметров удара и определения оптимальных геометрических параметров бойка и инструмента. Описание основных геометрических параметров приведено на рис. 1.
В процессе вычислительного эксперимента параметры системы имели следующие значения.
1. Геометрические размеры бойка.
Диаметр бойка— D6=0,035m.
Длина бойка — L6=0,05 м, L= 0,1 м, L6—0,2 м.
Радиус торца бойка — Krt=0,0175 м, 0.025 м, Кл=0,15м, Яо=0,Зм.
Высота сферического торца бойка — Р()=0,0175 м, Рв=0,006м. Рб=0,001 м, Р=0,0015 м.
2. Геометрические размеры пуансона.
Диаметр пуансона — Dt =0,035 м. Расчеты проводились при сечении пуансона, равном сечению бойка.
Длина пуансона — £и=0,2 м.
Радиус торца пуансона — R= 0,5 м.
3. Прочие характеристики процесса.
Плотность материала бойка и пуансона (сталь) —
Ploln^7900 кг/м3, Ploln,=7900 кг/м3.
Скорости бойка и пуансона до удара — Уа=2,0 м/с, V6=3,0 м/с, ^=4,0 м/с, Ул=5,0м/с, 1^=0 м/с.
Модуль Юнга для материалов бойка и пуансона — Ев=2,08х 10" Па, Е = 2,08 х 10" Па.
Коэффициент Пуассона для материалов бойка и пуансона — Nu=0,286, Mi, =0,286.
Предел прочности сжатия для материалов бойка и пуансона—Sigma =\2$0х 10йПа, Sigmaj=\250x Ю^Па.
Предел прочности растяжения для материалов бойка и пуансона — Sigtnar^l 40х 10*' Па, Sigmaru= = 140x10" Па.
Скорость продольной волны для материалов бойка и пуансона (для стержней) — А=5\31 м/с. А„=5131 м/с
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ 1ЕСТНИК № 1 <*7> 1010
_
Количество разбиений бойка при проведении расчетов: £о=0,05 м — N=200, 1С=0,1 м — N=400, 1.л=0,2 м — N“800.
Определим рабочий ход пуансона. Как известно из закона Гука, перемещения прямо пропорциональны нагрузкам
F = K\,
(1)
где И— сила; А — перемещение этой силы; К — жесткость тела, зависящая от свойств материала, формы и размеров тела.
Поскольку напряжения ст=/У6’ и деформации е=Л/// есть нагрузка и перемещение, деленные на константы 5 — площадь и I — длина, то и напряжения прямо пропорциональны деформациям, т.е. а=Ее, где С — модуль Юнга (коэффициент пропорциональности, называемый модулем продольной упругости).
Подставим в выражение закона Г'ука<7=Яс формулы для напряжения и деформации, откуда получим
л, Fl
AI =-----------
ES
(2)
Эта формула справедлива в случае действия одной сосредоточенной силы, то есть продольное усилие Н постоянно по всей длине стержня. Данное условие соблюдается для рассматриваемого случая.
В качестве примера рассмотрим следующие параметры установки: длина пуансона 1=0,2 м, сила удара Г=5000 Н, модуль Юнга для стали £=2,08x10* МПа, диаметр стержня — 6=0,032 м. При расчете по выражению (2) удлинение пуансона составит Д/=6,22х 10 6м или Л/=6,22 мкм.
Произведем расчет скорости и ускорения рабочей кромки пуансона. Время удара Тсоставит
т-^-ЬМ-во-.о-
V 5000
с или 7=80 мкс
С учетом времени сжатия стержня пуансона и времени нарастания силы, чистое время разгона рабочей кромки пуансона составит примерно /=30 мкс. С учетом того, что начальная скорость пуансона равна нулю, получим выражение
А1 =
af
где а — ускорение рабочей кромки пуансона. Из данного выражения получим 0^13832 м/с7, и далее, скорость рабочей кромки пуансона у=0,41 м/с.
Таким образом, для рассмотренного варианта ударного взаимодействия, усилие данного пресса будет эквивалентно весу груза массой 5 тонн; ход пуансона — 6 мкм, и время действия усилия составит 30 мкс. Данная машина может найти свое применение в сфере нанотехнологий.
Библиографический список
1. Чернявский. Д.И. Определение параметров удара в машинах ударного действия: Монографии. — Омск. Изд-во ОмГГУ. 2009 -Ч. 1. - 136с.
2. Лысцов. В.Н., Муринн, И В. Проблемы безопасности нанотехнологий. — М.: МИФИ, 2007 г. — 70 с.
3. Ы1р://nanodigest.ru/conten 1/у|е\*/334/1/
ЧЕРНЯВСКИЙ Дмитрий Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры «Менеджмент». Адрес для переписки: e-mail: manegl .omgtu.ru ЧЕРНЯВСКАЯ Дарья Дмитриевна, студентка специальности «Динамика и прочность машин, приборов и аппаратуры».
Статья поступила о редакцию 30.10.2009 г.
© Д. И. Чернявский, Д. Д. Чернявская
Книжная полка
Проектирование технологических схем и оснастки [Текст]: учеб. пособие для вузов по специальности «Технология машиностроения» направления подгот. «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» / Л. В. Лебедев [и др.]. — М.: Академия, 2009. — 335, (11 с.: рис., табл. — (Высшее профессиональное образование). — Библиогр.: с. 330-332. — ISBN 978-5-7695-4944-1.
Рассмотрены начала технологического проектирования производства деталей. Представлены схемы настройки станков. Описаны основы проектирования технологической оснастки. Приведены рекомендуемые этапы проектных работ, их содержание и последовательность выполнения, а также порядок и методики выполнения различных инженерных расчетов. Даны примеры, позволяющие интенсифицировать практические занятия.
Проектирование металлорежущего инструмента [Текст]: учеб. для вузов по специальности «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» / Е. И. Трембач [и др.]. — Йошкар-Ола: Изд-во Марийск. гос. техн. ун-та, 2008. — 430 с.: рис., табл. — Библиогр.: с. 412-414. — ЮВЫ 978-5-8158-0624-5.
Изложены основные теоретические вопросы по методике проектирования металлорежущих инструментов. Даны рекомендации но выбору материала режущей части, геометрических и конструктивных параметров, использованию систем автоматизированного проектирования режущих инструментов. Приведены справочные материалы для выполнения и оформления курсовой работы. Рассмотрены примеры расчета и конструирования отдельных видов инструмента.
