CC BY
18УДК 621.79
С.А. Матвиенко, А.В. Лукичев
Донецкий национальный технический университет, Донецк, 283001 e-mail: serge-matvienko@yandex.ru
СТРУКТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
В статье рассмотрена структура функционально-ориентированного модифицированного поверхностного слоя деталей машин. Предложена классификация функционально -ориентированных модифицированных поверхностных слоев. Разработана математическая структурно-функциональная символьная модель для однослойного и многослойного модифицированного поверхностного слоя деталей.
Ключевые слова: поверхностный слой, структура, зона, свойства, модификация, структурно-функциональная символьная модель.
S.A. Matvienko, A.V. Lukichev
Donetsk national technical University,
Donetsk, 283001 е-mail: serge-matvienko@yandex.ru
STRUCTURE AND CLASSIFICATION OF MODIFIED SURFACE LAYERS
OF MACHINE PARTS
The article considers the structure of a functional-oriented modified surface layerof machine parts. A classification of functionally oriented modified surface layers is proposed. A mathematical structural and functional symbolic model for single-layer and multi-layer modified surface layer is developed.
Key words: surface layer, structure, zone, properties, modification, structural and functional symbolic model.
На функциональные характеристики и эксплуатационные параметры ответственных деталей машин значительное влияние оказывают структура и свойства их рабочих поверхностных слоев (ПС) [1-3]. При изготовлении и эксплуатации деталей можно рассматривать рабочий ПС детали как самостоятельную подсистему. На сегодняшний момент в связи с высокими эксплуатационными требованиями на финишных этапах технологических процессов (ТП) изготовления деталей применяются операции модификации ПС. Под модификацией понимается целенаправленное преобразование ПС в результате технологического внешнего воздействия, связанное с изменением структуры, химического и фазового состава.
Тенденции развития в области модификации ПС следующие [4-7]: удаление ПС (полностью или частично); целенаправленное изменение состава и свойств ПС для улучшения технических характеристик изделий; нанесение покрытий, обеспечивающих требуемый ресурс, надежность, работоспособность и другие характеристики; придание изделию или его части специфичных свойств.
Установлено, что значительное повышение эксплуатационных свойств (ЭС) деталей машин может быть достигнуто путем формирования гетерогенно упрочненных структур ПС. При этом для получения гетерогенно упрочненных структур могут быть использованы различные методы поверхностно-пластической деформации (ППД), а точность формообразования обеспечивается методами субтрактивной обработки [8]. Несущая способность материала определяется соотношением свойств ПС и несущего подповерхностного слоя. Несущие поверхностные объемы материала должны быть многослойными, гетерофазными [9].
Направленному поиску прогрессивных технологий создания оптимальных ПС препятствует сложившийся стереотип необходимости равномерного упрочнения поверхностного слоя [10].
Сочетание в одном технологическом оборудовании аддитивного, субтрактивного и упрочняющего модулей имеет самые широкие перспективы [11].
Создание многослойных (модульных) ПС на основе выбора функций отдельных слоев при оптимизации их последовательности, формирования и толщин позволяет конструировать свойства и эксплуатационные характеристики деталей в целом [12].
При рассмотрении формирования ПС нанесением покрытий, как правило, не рассматривают слой ПС, полученный при предварительной основной обработке, в т. ч. субтрактивной и упроч-няюще-модифицирующей. Как правило, для формирования ПС используются либо упрочняюще-модифицирующие технологии или нанесение покрытий, или аддитивные технологии, при этом не рассматривается возможность их комбинирования.
Структура функционально-ориентированного модифицированного поверхностного слоя (МПС)
Рассмотрим возможную структуру МПС, который состоит из слоев для выполнения эксплуатационных функций, выполнения роли подслойки и т. д.
Классификация функционально-ориентированных МПС по структуре
1. По направлению преобразования: 1.1. Снизу вверх (аддитивные); 1.2. Сверху вниз (суб-трактивные); 1.3. Горизонтальные (упрочняюще-модифицирующие); 1.4. Комбинированные.
2. По количеству слоев: 2.1. Однослойные: 2.1.1. Однофункциональные; 2.1.2. Многофункциональные; 2.1.3. Функционально-ориентированные; 2.1.4. По ориентации свойств и структуры (2.1.4.1. Функциональная ориентация; 2.1.4.2. Зональная ориентация; 2.1.4.3. Градиентная ориентация; 2.1.4.4. Изменение по оси х; 2.1.4.5. Изменение по оси у; 2.1.4.6. Изменение по оси z); 2.1.5. По изменению толщины слоя (2.1.5.1. Постоянные; 2.1.5.2. Функционально-ориентированные). 2.2. Многослойные (модульные); 2.2.1. Однофункциональный каждый слой; 2.2.2. Каждый слой многофункциональный; 2.2.3. Одинаковые свойства всех слоев; 2.2.4. Различные свойства всех слоев; 2.2.5. Слои с функционально-ориентированными свойствами; 2.2.6. С разной или одной структурой; 2.2.7. С разной или одной топографией; 2.2.8. Разные или одинаковые по типу модификации.
3. По количеству модулей: 3.1. Одномодульный; 3.2. Многомодульный (композиционный).
4. По количеству эксплуатационных функций: 4.1. Однофункциональный; 4.2. Многофункциональный; 4.3. Функционально-ориентированный.
5. По количеству приоритетных эксплуатационных свойств (износостойкость, коррозионная стойкость, усталостная прочность и т. д.): 5.1. Один; 5.2. Два и более.
6. Комбинированные.
7. По функциональному назначению слоев: 7.1. С разным функциональным назначением (связующая подложка, обеспечение свойств непосредственно); 7.2. Однофункциональный.
8. По типу уровней: 8.1. Одноуровневые (макро-, микро-, мезо-, нано- уровень); 8.2. Многоуровневые; 8.3. Комбинированные.
9. По топологии слоев: 9.1. С одной топологией (площадью, толщиной, геометрической и пространственной формой); 9.2. С разной топологией.
Модификация ПС может быть осуществлена аддитивной, субтрактивной или упрочняюще -модифицирующей обработкой, или их комбинациями (например, ППД + модифицирование, нанесение покрытия).
МПС может иметь один слой (например, полученный при обработке резанием) и несколько слоев (например: исходный, полученный в результате формообразующей обработки, и слои покрытия). Каждый слой ПС может воспринимать действие одной или нескольких эксплуатационных функций по всей площади ПС или зонально, индивидуально или в паре с другими слоями. Многослойные модули, имеющие специальные свойства, а именно: зонально-ориентированное количество слоев; функционально-ориентированное количество слоев; зональную структуру свойств каждого слоя; функциональную структуру свойств каждого слоя; модульные ориентации свойств; ступенчатую ориентацию свойств; одинаковые свойства (толщину) во всех слоях; разные свойства (толщину) во всех слоях; другие свойства.
МПС может включать один или несколько модулей. Модуль - это некоторый однородный или сложноструктурный слой, имеющий в приоритете одно конкретное эксплуатационное свойство (ЭС), например износостойкий, коррозионно-стойкий или жаростойкий модули.
По количеству и зональному действию эксплуатационных функций МПС может быть од-нофункциональным, многофункциональным и с ФО-свойствами.
ПС не может иметь высокие параметры по всем ЭС, это достаточно сложно обеспечить, а в некоторых случаях невозможно. Поэтому в зависимости от эксплуатационных функций выбирается приоритетное одно или несколько ЭС и обеспечивается его или их высокое требуемое, исходя из ресурса детали, значение.
По функциональному назначению в структуре МПС каждый отдельный слой может иметь свое определенное назначение, например, непосредственно обеспечивать одно или несколько ЭС МПС или выполнять функцию прослойки или подслоя (рис.1).
МПС может иметь многоуровневую (нано-, микро-, мезо-, макро-) структурную организацию ПС, например один слой имеет макроуровень, другой - мезоуровень, третий - наноуровень. МПС может иметь формоизменяющуюся структуру (надстройка с уменьшением топологии (площади) преобразования: снизу вверх (наружная), или сверху вниз (внутренняя), или горизонтальную (постоянную по площади).
Каждый слой может иметь как постоянные (с погрешностью на обработку), так и изменяемые толщину (постоянная, функционально-ориентированная, изменяющаяся по оси х (у), другие свойства), физико-механические и химические свойства. Форма изменения свойств по структуре слоя определяет пространственную ориентацию данного слоя: функциональную; зональную; градиентную; изменение по осям координат х, у, г; другие свойства.
NN
Рис. 1. Структура функционально-ориентированного МПС (ФОМПС): 1 - адсорбированная зона; 2 - зона оксидов; 3 - граничная зона; 4 - модуль первый: 4.1 - 1-й слой первого модуля, 4.2 - 2-й слой первого модуля, 4п - п-й слой первого модуля; 5 - модуль второй: 5.1 - 1-й слой второго модуля, 5.2 - 2-й слой второго модуля, 5к - к-й слой второго модуля; 6 - зона перехода от ПС к основному металлу (подложка модифицированного слоя); 7 - тело детали
ФОМПС изделий формируется по генеративному принципу, т. е. с подслойной структурой:
1. Подслой (модуль), полученный предварительной субтрактивной обработкой;
2. Упрочненный, модифицированный, упрочненно-модифицированный подслой (модуль);
3. Генеративный ФО подслой (модуль);
4. Генеративные ФО п-слои (модули);
5. Поверхностный нанослой, текстурированный в процессе наращивания.
ФОМПС могут иметь различные схемы распределения свойств в горизонтальной (по поверхности) и вертикальной (по структуре) плоскостях, т. е. имеют сложную пространственную форму в пространстве.
ФОМПС могут иметь следующие свойства [5, 13]:
1. Изменяющиеся свойства в пределах поверхности и/или структуры ПС;
2. Ступенчатые свойства в пределах поверхности и/или структуры ПС;
3. Зональные свойства в пределах поверхности и/или структуры ПС;
4. Пятнистые свойства в пределах поверхности и/или структуры ПС;
5. Специальные свойства в пределах поверхности и/или структуры ПС.
Каждый подслой может совпадать или различаться по площади, форме, толщине, структуре, фазовому и химическому составу с одним или несколькими другими подслоями. Генерируемые ПС имеют нижний подслой, сформированный предварительной обработкой (наследственность).
ФОМПС деталей машин обеспечивает выполнение следующих особенностей эксплуатации при действии изменяющихся параметров функции по поверхности и неодинаковых структурных составляющих множества функций по детали: полную адаптацию ПС при изготовлении к особенностям эксплуатации детали в машине или технологической системе, предельный эксплуатационный потенциал каждой зоны ПС должны быть равны между собой, единовременный равномерный полный износ всего ПС в заданный период эксплуатации детали, качественно новую совокупность ЭС ПС и всего изделия в целом и другие особенности.
ФОМПС имеет переменную толщину по площади ПС, определяющуюся в зависимости от действия эксплуатационной функции. ФОМПС могут иметь одно или многомодульную многослойно-композиционную архитектуру с макро-, микро-, мезо- и наноструктурой и чередующимися слоями различного композиционного состава и функционального назначения.
На рис. 2 представлены структурные варианты.
Рис. 2. Структурные варианты МПС: а - однослойный МПС типа единовременно-единовременно непрерывный (ЕЕН); б - многослойный МПС типа единовременно-единовременно прерывистый (ЕЕП)
Оси координат совпадают с плоскостью начала преобразования ПС.
Однослойный ФОМПС модифицируется непрерывно. В этом случае по высоте слоя г его свойства и структура однородны. Однослойный ФОМПС в направлении х и у по поверхности детали модифицируется единовременно в двух направлениях. В направлении г или (-г) слой модифицируется и формируется непрерывно. Однослойный ФОМПС относится к типу единовременно-единовременно непрерывного.
Математическая структурно-функциональная символьная модель [5] для однослойного МПС (рис. 2, а) может быть представлена следующим выражением:
да i да да i
(т , е А ),(л Л -а Л ■ Л\ Л , > (1)
0 у х,у,2,—2~ х,у,^—2~ х,у,2,—х ^ у 2 | -2 \ у '
где So - обозначение однослойного МПС типа ЕЕН;
(тхуг-2,еху2_2>*хУ2-г) - кортеж параметров технологических воздействий соответственно материального, энергетического и информационного характера;
(Л1Х ■ Л ■ Лг | Л1_2) - декартово произведение в х-м, у-м и г-м (или (-г-м)) направлениях или
окрестность объемной точки;
А - обозначение непрерывности процесса модификации ПС в направлении г или (-г). Многослойный ФОМПС (рис. 2, б) формируется слоями в направлении х, у единовременно, а в направлении г и (или) -г - прерывисто и относится к типу ЕЕП. Математическая структурно-
функциональная символьная модель [5] для многослойного ФОМПС может быть представлена следующим выражением:
n i да да i
S —^ v s (m , e ,i ),(л dl -л dl • (dl I dl )\(dl & dl ), \ (2)
m z- J x, y, z,— z ' x, y, z,z ' x, y, z,—z ^ x ^ y ^ z | - z ^ | ^ z -z \
где - обозначение многослойного МПС типа ЕЕП;
n - число слоев;
V - обозначение прерывистости процесса модификации в направлении z или -z.
Приведенные математические структурно-функциональные символьные модели однослойных и многослойных ПС, а также варианты ФОМПС позволяют выполнять синтез заданных или требуемых свойств детали и их полезности.
Предлагаемая классификация МПС имеет сложную генеративную многомодульную структуру, позволяющую обеспечить требуемый уровень свойств и показателей надежности наиболее ответственных деталей машин.
Литература
1. Инженерия поверхности деталей / Под ред. А.Г. Суслова. - М.: Машиностроение, 2008. -318 с.
2. Суслов А.Г., Дальский А.М. Научные основы технологии машиностроения. - М.: Машиностроение, 2002. - 684 с.
3. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. - М.: Машиностроение, 2000. - 320 с.
4. Бутенко В.И., Кулинский А.Д. Модифицирование материала поверхностного слоя деталей при наноструктурирующей отделочно-упрочняющей обработке // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - 2016. - № 1 (52). - С. 29-35.
5. Михайлов А.Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий. - Донецк: ДонНТУ, 2009. - 346 с.
6. Поверхностные слои и внутренние границы раздела в гетерогенных материалах / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Изд. СО РАН, 2006. - 520 с.
7. Сафонов С.В. Методология проектирования комбинированных технологических процессов модификации поверхностного слоя изделий: Дис. ... д-ра техн. наук: 05.02.08 / ВГТУ. - Воронеж, 2018. - 341 с.
8. Афонин А.Н., Ларин А.И., Макаров А.В. Гетерогенное упрочнение деталей горнометаллургических машин поверхностным пластическим деформированием // Известия высших учебных заведений. - 2015. - № 11. - Т. 58. - С. 823-827.
9. Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Перспективы кратного повышения эксплуатационных свойств естественным армированием металлических материалов при технологическом обеспечении многоуровневой гетерогенной структуры // Упрочняющие технологии и покрытия. -2014. - № 4 (112). - С. 3-10.
10. Технологическое обеспечение параметров несущего слоя деформационным и комбинированным упрочнением / А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев, А.В. Хандожко, С.О. Федонина // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2018. - № 10. - С. 43-48.
11. Киричек А.В. и др. Возможности аддитивно-субтрактивно-упрочняющей технологии // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2016. - № 4 (52). - С. 151-160.
12. Верещака А.А. Функциональные покрытия для режущих инструментов // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2015. - № 4 (48). - С. 25-39.
13. Функционально-ориентированные покрытия для повышения эксплуатационных свойств деталей машин / А.Н. Михайлов, Д.А. Михайлов, Р.М. Грубка, М.Г. Петров // Машиностроение и техносфера XXI века: Сборник трудов XXII Междунар. науч.-техн. конф. в г. Севастополе 14-19 сентября 2015 г. В 2 т. - Донецк: МСМ, 2015. - Т. 2. - С. 24-38.
