Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2014

ношенных частиц; ср и Dcр – соответственно средние значения теплопроводности и коэффициента диффузии во вторичных структурах (в предположении их независимости от скорости резания); nn – прочность адгезионных связей на срез в условиях скользящего контакта; T – температураконтакта.

В этой же работе приведены экспериментальные данные по изнашиванию различных лезвийных режущих инструментов, подтверждающие справедливость приведенной формулы при повышении температуры контакта до некоторой величины Tхар, названной как характерная. Показано, что эта температура практически равна оптимальной температуре резания [5], соответствующей минимальному изнашиванию инструмента. На этом основании был сделан вывод о том, что при температуре Tхар в трибосистеме «обрабатываемый материал–инструмент» устанавливаются новые связи между элементами (потоком вещества и температурой), которые можно объяснить появлением новых структур, способствующих упорядочению трибосистемы. В данной работе приведены результаты исследования прогнозируемой адаптации поверхностей трения и снижения изнашивания инструментов за счет применения инструментальных материалов и покрытий (на основе быстрорежущей стали), содержащих химические элементы и соединения, способные в определенных условиях трения вступать во взаимодействие с обрабатываемым материалом и с окружающей средой, создавать неравновесные вторичные структуры с отрицательным производством энтропии и снижать изнашивание.

Представленные ниже экспериментальные результаты подтверждают возможность прохождения самоорганизации при температурах резания Тхар и образование на фрикционном контакте «инструмент – обрабатываемый материал» неравновесных диссипативных структур. Вторичные структуры представляют собой тонкие пленки на поверхности трения, которые создаются в условиях высокой деформации при температурах нагревания, вызывающих диффузию при адсорбции, а также при различных реакциях разложения и ассимиляции.

111

На основе вышеизложенного рассматриваются некоторые подходы воздействия на условия трения при резании металлов путем дополнительного легирования спеченных порошковых инструментальных материалов (СПИМ) на основе быстрорежущей стали.

Первый подход предполагает снижение уровня триботехнических характеристик благодаря уменьшению коэффициента трения при рабочих температурах. Установлено, что СПИМы на основе быстрорежущей стали, легированные карбидом титана, обладают высокой износостойкостью и их можно классифицировать как новый класс самоорганизующихся инструментальных материалов. В частности, к таковым можно отнести СПИМы, содержащие в качестве твердой основы карбид титана, а быстрорежущую сталь (Р6М5) – как связующее (СПИМ + 20% TiC). При помощи Оже-спектроскопии было обнаружено [4], что в процессе резания карбиды титана могут превратиться в тонкие поверхностные пленки в виде соединения титана с кислородом. Это значительно улучшает фрикционные свойства при рабочих температурах резания (рис. 1) и повышает износостойкость режущего инструмента (рис. 2). Как показали исследования, износостойкость такого инструмента в 2–3,5 раза выше износостойкости обычных инструментов избыстрорежущей стали.

Суть второго подхода состоит в прохождении при определенных температурах резания несамопроизвольных химических реакций, инициируемых трением с образованием устойчивой вторичной структуры (простых и сложных кислородосодержащих фаз на основе титана и бора), появляющейся на поверхности инструмента, что достигается, например, с помощью дополнительной присадки 2 % BN [5]. Применение обоих принципов дает возможность значительного увеличения износостойкости инструмента (например, с помощью присадки 20 % TiCN (рис. 3)).

Дальнейшее совершенствование режущих свойств инструментов можно осуществить за счет применения многослойных износостойких покрытий, при этом каждый слой такого покрытия должен формироваться с учетом изменения механизма изнашивания в периоды приработочного, нормального (устойчивого) и катастрофическогоизноса.

112

Рис. 1. Влияние температуры на триботехнические свойства материалов:

 – СПИМ (Р6М5 + 20% TiC);   – Сталь 45 (НВ 180…200);

 – Р6М5;   – Сталь 45 (HRС 30..32)

Рис. 2. Влияние времени обработки на износ режущего инструмента по задней поверхности инструмента при точении стали 45 (НВ 180…200),

V = 60 м/мин; t = 0,5 мм; S = 0,2 мм/об (температура резания 450 С):

1 – Р6М5; 2 – Р12М3Ф2К5; 3 – СПИМ (Р6М5 + 20% TiC)

113

Рис. 3. Влияние времени обработки на износ концевой фрезы 12 мм по задней поверхности: 1 – СПИМ (Р6М5 + 20% TiC); 2 – СПИМ (Р6М5 + 20% TiC + 2% BN); 3 – СПИМ (Р6М5 + 15% TiC + 5% Al2O3); 4 – СПИМ

(Р6М5 + 20% TiCN) (обрабатываемый материал сталь 40Х; V = 65 м/мин;

Sм = 63 мм/мин; t = 3 мм; b = 10 мм)

По результатам работы установлено, что СПИМы на основе быстрорежущей стали, дополнительно легированные карбидом титана, обладают высокой износостойкостью и могут рассматриваться как новый класс самоорганизующихся инструментальных материалов; дополнительное легирование в СПИМы карбида титана и нитрида бора приводит к повышению износостойкости режущего инструмента в 1,5–2,0 раза.

Список литературы

1.Бершадский Л.И. Структурная термодинамика трибосистем. –

Киев: Знание, 1990. – 253 с.

2.Гершман И.С., Буше Н.А. Реализация диссипативной самоорганизации поверхностей трения в трибосистемах // Трение и из-

нос. – 1995. – Т. 16, № 1. – С. 61–70.

3.Пригожин И., Кондипуди Д. Современная термодинамика. –

М.: Мир, 2002. – 461 с.

4.Мигранов М.Ш., Шустер Л.Ш. Термодинамический анализ адаптации поверхностей трения при резании металлов // Вестник УГАТУ. – 2009. – Т. 12, № 4 (33). – С. 20–23.

5.Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания металлов. – М.: Машиностроение, 1976. – 278с.

114

ГЛАДКОЕ СОПРЯЖЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КРИВЫХ

Н.Е. Мисюра

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия

e-mail: n_misura@mail.ru

Дается метод и общий алгоритм гладкого сопряжения двух любых пространственных кривых, заданных аналитически векторными уравнениями в параметрической форме. В качестве переходной кривой выбирается кривая, задаваемая векторным полиномом пятой степени, векторы-коэффициенты которого определяются из условия обеспечения второго порядка гладкости получаемой непрерывной кривой.

В этой параметризации «скорость» и «ускорение» в узловых точках совпадают. Из равенства скоростей в узловых точках следует, что

115

участки кривых имеют общую касательную. Из равенства ускорений следует, что кривые имеют общую соприкасающуюся плоскость и их кривизна совпадает.

Краевые условия

В качестве примера рассматривается задача гладкого сопряжения кривых L1 и L2, заданных уравнениями

116

В условиях рассматриваемого примера равенство (2) преобразуется к виду

Откуда с учетом краевых условий реализация алгоритма сопряжения дает следующие значения векторов-коэффициентов стыковочного полинома:

Рис. Гладкое сопряжение пространственных кривых

На рисунке приведены состыкованные кривые в их гладком сопряжении.

РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ СОТОВЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ

ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И АЛЮМИНИЯ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫМ МЕТОДОМ

А.М. Першин, А.А. Стром

ОАО «Авиадвигатель», Пермь, Россия

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

e-mail: pershin@avid.ru

Рассматривается расчетное исследование устойчивости панелей с сотовым заполнителем из композиционных материалов и алюминия. В ходе исследования был выполнен расчет НДС па-

118

нелей обшивки газогенератора переднего ряда и определены критические зоны. По результатам расчета НДС было проведено исследование предельных значении нагрузок и преимущества для каждого типа сотового заполнителя при моделировании панелей твердотельным методом.

Применение высокопрочных сталей, титана и его сплавов, армированных пластиков и других композиционных материалов на основе сверхпрочных непрерывных волокон или нитевидных кристаллов в тонкостенных подкрепленных конструкциях, работающих в условиях изгиба и сжатия, часто бывает неэффективным. Это объясняется тем, что по условию прочности конструкции из этих материалов должны иметь очень малую толщину. Но при этом резко снижается момент инерции сечения пластины или оболочки, и конструкция, особенно при невысоких модулях упругости материала, имеет низкие критические напряжения потери устойчивости.

Этого недостатка лишены трехслойные пластины и оболочки. Трехслойная пластина, или оболочка, состоит из двух относительно тонких внешних слоев (называемых несущими) из высокопрочных материалов, связанных слоем заполнителя, толщина которого значительно больше толщины несущих слоев. Прочностные характеристики и плотность заполнителя, как правило, значительно ниже, чем несущих слоев. При использовании соответствующих материалов несущих слоев и заполнителя трехслойные пластины и оболочки могут обладать хорошими вибропоглощающими характеристиками, иметь необходимые звуко- и теплоизоляционные свойства, требуемую свето- и радиопрозрачность [2].

Панели с сотовым заполнителем применяются в перспективном двигателе для внешней обшивки. Их использование обусловлено рядом преимуществ по сравнению с монолитными конструкциями [1]: малая масса конструкции, высокая жесткость, удельная статическая прочность больше на 20–40 %, устойчивость при про-

119

дольном сжатии выше в 2–4 раза, более гладкие поверхности узлов и агрегатов, теплоизоляционные свойства выше в 3–5 раз, акустические характеристики лучше в 3–5 раз.

В работе рассматривается расчетное исследование устойчивости панелей с сотовым заполнителем из стеклопластика и алюминиевой фольги для режимов работы «нормированная посадка» и «вертикальная непрерывная турбулентность» с разными величинами перегрузок. По результатам исследования на устойчивость были определены предельные значения нагрузок и обнаружены критические зоны для каждого типа сотового заполнителя, а также были определены преимущества каждого вида сотового заполнителя и сформулированы соответствующие рекомендации.

Панель обшивки газогенератора представляет собой трехслойную акустическую сэндвич-панель с сотовым заполнителем (рис. 1). В конструкции панелей имеются вырезы под установку агрегатов, расположенных в пространстве под ними. Обшивка газогенератора состоит из 3 рядов панелей: 4 съемные панели первого ряда 2, второй ряд – распахивающиеся створки 3 и третий ряд – сдвижные панели 4.

Рис. 1. Обшивка газогенератора: а – твердотельная модель; б – конечно-элементная модель; 1 – каркас; 2 – панели переднего ряда;

3 – распашные створки; 4 – сдвижные панели

120