CC BY
7УДК 621.7.09
С.А. Матвиенко, А.Н. Михайлов, А.В. Лукичев, Ю.Н. Стрельник
Донецкий национальный технический университет, Донецк, 283001 e-mail: serge-matvienko@yandex.ru
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИСТЕМНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СВОЙСТВ МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Статья посвящена разработке теоретических основ комплексного обеспечения свойств модифицированных поверхностных слоев (МПС), работающих в неоднородных условиях эксплуатации, на базе функционально-ориентированного подхода и технологических связей. Установлена связь между технологическими воздействиями процесса модифицирования поверхностного слоя и эксплуатационными свойствами (показателями надежности), т. е. полезностью изделия.
Ключевые слова: поверхностный слой, зона, ресурс, свойства, технологические воздействия, мера полезности.
S.A. Matvienko, A.N. Mikhailov, A.V. Lukichev, Yu.N. Strelnik
Donetsk national technical University,
Donetsk, 283001 e-mail: serge-matvienko@yandex.ru
THEORETICAL BASIS OF SYSTEM TECHNOLOGICAL SUPPORT OF THE PROPERTIES OF THE MODIFIED SURFACE LAYER
The article deals with the development of the theoretical foundations for the integrated supply of the properties of modified surface layers (MPS) operating in heterogeneous operating conditions, based on a functionally oriented approach and technological links. A relationship has been established between the technological impact of the surface layer modification process and the operational properties (reliability indicators), i. e. the usefulness of the product.
Key words: surface layer, zone, resource, properties, technological impact, measure of usefulness.
Подход к системному обеспечению свойств поверхностного слоя (ПС) деталей на основе функционально-ориентированной модификации с учетом технологических связей параметров подслоев заключается в комплексном проектировании технологий на базе решения триединой задачи:
- установления и сравнения эксплуатационных функций отдельных функционально-ориентированных зон (ФОЗ) ПС [1-3];
- формирования на основе этого анализа связей между параметрами (функционально-ориентированными свойствами (ФОС) ФОЗ ПС на базе принципа равенства ресурсов [4]:
Rl = R2 = ... = Rn (1)
или
klRl = к2Я2 = ... = Ш„, (2)
где Rl, R2, ..., Rn - ресурс отдельных зон, п - количество ФОЗ; М, к2, кп - коэффициент кратности ресурса;
- формирования связей между технологическими воздействиями (ТВ) и параметрами (ФОС) функционально-ориентированных зон ПС (параметрами надежности).
На гипотетической схеме теоретического подхода к технологическому обеспечению ФОС ФОЗ ПС шарового шарнира [5] показаны 4 группы элементов схем для ФОЗ, которые образуют между собой единую систему в проектировании свойств МПС в зависимости от особенностей
Рис. 1. Схема МПС шарового шарнира
действия эксплуатационных функций на базе выполнения заданных технологических воздействий (рис. 1).
Для обеспечения ФОС ФОЗ ПС в процессе модифицирования участвуют: Fl, ¥2, Рз, ¥4 - действующие эксплуатационные функции ПС; ТВ1, ТВ2, ТВз, ТВ4 - технологические воздействия, направленные на формирование каждого подслоя МПС; С1, С2, Сз, С4 - функционально-ориентированные эксплуатационные свойства каждой ФОЗ ПС соответственно. Между элементами схемы действуют определенные связи. Для каждой ФОЗ свойства реализуются на базе ФОС подслоев, структурно составляющих зону ПС. Внутреннее развитие каждого элемента системы выполняется с помощью связей-петель.
В теоретическом подходе выполняется объединение процессов проектирования каждой ФОЗ ПС с помощью прямых и обратных связей (рис. 2), которые можно моделировать потоками материи, энергии и информации.
Модифицированный ПС состоит из множества элементарных объемов V 2, преобразованных из множества равных элементарных объемов V1, включающего два подмножества: подмножество V1,1, полученное в результате формообразования детали (исходное состояние ПС), и подмножества нарощенных или внедренных V1,2 комплексными технологическими воздействиями (КТВ):
V2 =(¥1Д, V12) и КТВ.
(3)
КТВ, направленное на модификацию ПС, может быть представлено в виде совокупности ТВ на (V1Д, V12):
КТВ = {ТВ1, ТВ2, ТВз, ТВ4, ..., ТВк},
(4)
где КТВ - общее комплексное технологическое воздействие;
ТВ1, ТВ2, ТВз, ТВ4, ..., ТВк - отдельные технологические воздействия (единичные, комбинированные и т. д.)
Рис. 2. Гипотетическая схема технологического подхода в обеспечении ФОС МПС
Текущее элементарное ТВк можно представить в виде кортежа, состоящего из трех компонентов: материального, энергетического и информационного типов [6]:
ТВк = (шк, вк, и).
(5)
где тк - материальная составляющая к-го элементарного ТВ; ек - энергетическая составляющая к-го элементарного ТВ; 7к - информационная составляющая к-го элементарного ТВ.
Любая составляющая ТВ может быть описана совокупностью воздействий соответствующего типа:
1 2 п
тк, К, • • ; Кп
е1 е2 ек, ек, ••• ер }• , ек };
(-1 -2 г)
К, ••• , ^к } ,
(6)
где тк, ек, /к - элементарные воздействия соответственно материального, энергетического, информационного типа, составляющие к-е ТВ;
п, р, г - количество видов воздействий соответственно материального, энергетического, информационного типа. Таким образом:
КТВ = {(т1, е1, 7':); (т2, е2, /2); ..., (тк, ек, /к)}.
(7)
Каждый из рассмотренных компонентов ТВ необходимо рассматривать с точки зрения влияния на требуемые эксплуатационные свойства, показатели надежности и себестоимости с целью обеспечения заданной полезности изделия:
({с1, С2' ***'С П2,•••, п}); ^ = ({с1, С2 '•••'С },{п1, П2,•••, пд}); ({СРС2 ' •••'С },{п1,П2,•••, Пд }Х
(8)
где С1, С2, ..., Сд - соответственно интервалы значений эксплуатационных свойств (износостойкость, коррозионная стойкость, усталостная прочность и др.);
«1, П2, ..., Пд - интервалы значений показателей надежности (долговечность, ресурс и др.) и себестоимости.
Таким образом, морфология процесса модификации ПС может быть представлена следующим образом:
ТВ1 ТВ,
КТВ =
ТВ, =
К =({с1, С2 '•••' С },{П1, П2,•••, Пд })
< = ({с1, С2 '•••' С },{П1
, П2,•••, Пд
})
/Т = ({С1,С2 '•••'С },{П1
, П2,•••, Пд
})
(9)
к
к
к
к
На всех уровнях КТВ должна выполняться совместимость производимых воздействий. В результате взаимодействия всех технологических факторов на каждом уровне КТВ образуется качественно новая структура и совокупность свойств МПС (качественно новая мера полезности изделий).
тк л т2к л... л тпк ^ ({с15с2,...,с, },{п15пг,...,пд}); тх лт2л...лтк ^ ({с1,с2,...,с,},{п1,п2,...,п});
е\ л екл...л ек ^ ({с1, с2'...'с },{п1, п2,...> п,});
е1 л е2 л ... л ек ^ ({с1, с2,..., с, },{п1, п2,..., п}); (10)
4 л / кл...л ¡к ^ ({с1, с2'...'с },{п1, п2,..., п});
/1 л ¡2 л ... л 4 ^ ({с1, с2,..., с, },{п1, п2,..., пд}); ТВ1 л ТВ2 л ... л ТВк ^ ({с1, с2 ,..., с, },{п1, п2 ,..., пд});
ТВк = ({ск 1, ск 2 ,..., с к, },{пк 1, пк 2 ,..., п к, }).
ТВ1 = с12,..., },{пll, п12,..., п1Я}); ^грр _ ТВ2 = ({с21,с22 , . .,с2д },{п21,п22 ,.",п2, }); (11)
ТВк = ({ск 1, ск2ск, },{пk1, пк2 ,...,п, })._
Концепция 4 уровней. Перспективным направлением повышения работоспособности деталей трибосистем является формирование на их поверхностях многокомпонентного функционального слоя за счет модификации ПС.
Предлагаемая концепция 4 уровней интегрированных технологий модификации ПС позволяет системно рассматривать и реализовывать весь потенциал разнообразнейших технологий, соответствующих аддитивному принципу «снизу вверх», субтрактивному принципу «сверху вниз», упрочняюще-модифицирующему принципу «горизонтально».
Концепция 4 уровней интегрированных технологий позволяет рассматривать явления, происходящие в ПС на макро-, мезо-, микро- и нанометрическом уровнях, на единой методологической основе. При этом надо учитывать, что на макроуровне производится модификация ПС глубиной, измеряемой в миллиметрах, на мезоуровне - от микрометров до миллиметра, на микроуровне - от нанометров до десятков микрометров, на наноуровне - от доли нанометра до нескольких нанометров.
Разработанные теоретические основы системного технологического обеспечения свойств МПС позволяют создать новую меру полезности изделия при его изготовлении за счет формирования комплексного технологического воздействия на ПС на базе функционально-ориентированного подхода, исходя из условий эксплуатации данного изделия.
Реализация предлагаемой концепции 4 уровней позволяет разрабатывать структуру многокомпонентного функционально-ориентированного ПС, обеспечивающего оптимальный ресурс и оптимальную экономическую себестоимость изделия.
Литература
1. Инженерия поверхности деталей / Под ред. А.Г. Суслова - М.: Машиностроение, 2008. -318 с.
2. Михайлов А.Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий. - Донецк: ДонНТУ, 2009. - 346 с.
3. Михайлов А.Н. Общий подход в создании функционально-ориентированных макро-, микро- и нанотехнологий для изделий машиностроения // Машиностроение и техносфера XXI века: Сборник трудов ХУШ Междунар. науч.-техн. конф. в г. Севастополе 12-17 сентября 2011 г.: в 4 т. - Донецк: ДонНТУ, 2011. - Т. 2. - С. 209-217.
4. Пичко А.П. Синтез технологического обеспечения комплексного повышения ресурса лопаток турбокомпрессора газотурбинных установок нефтегазовой промышленности: Автореф. дис. канд. техн. наук 05.02.08. - Донецк: ДонНТУ, 2019. - 23 с.
5. Методика нанесения функционально-ориентированного покрытия на шаровой палец наконечника рулевой тяги автобуса / Ю.Н. Стрельник, Д.А. Михайлов, С.А. Матвиенко, А.В. Лу-кичев, А.Н. Михайлов // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - 2020. -№ 3 (70). - С. 57-64.
6. Сидорова Е.В., Михайлов А.Н. Управление процессом резания посредством физико-химических параметров на основе функционально-ориентированного подхода // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - 2010. - № 2 (40). - С. 233-239.
