современные методы проектирования нанотехнологических процессов в машиностроении

E-Book Overview

Учеб. пособие. М.: РУДН, 2008. – 150 с.В истории развития техники и технологии всегда существовала проблема создания изделия с параметрами точности и качества поверхности, превосходящими аналогичные параметры деталей и узлов технологического оборудования, на котором это изделие изготовлялось. Грубо говоря, на «неточном» оборудовании необходимо было изготовить детали, более точные, чем те детали, из которых было собрано это оборудование – только так мог осуществляться технический прогресс. Такие задачи решались для индивидуальных объектов производства с помощью умельцев-самородков, которые чувствовали руками, кожей пальцев ту разницу размеров и шероховатости поверхности, которую назвали «микрометрами». На каждом крупном предприятии, как правило, имеется один или несколько таких уникальных рабочих, оберегаемых и поддерживаемых руководством и коллективом. Однако сейчас, когда развитие техники подошло вплотную к рубежу, который условно называется «нанотехнологиями», требуется иное решение проблемы. Если с помощью прецизионных станков можно было обеспечить точность размеров порядка ±(10…1) мкм и шероховатость поверхности 0,08…0,032 мкм, то сейчас надо выходить на уровень отклонения размеров ±(0,1…0,001) мкм и шероховатость поверхности 0,0016…0,00032 мкм. Надежность работы машин определяется не только геометрическими, но и физико-механическими параметрами поверхностного слоя деталей, так как при эксплуатации детали машин контактируют именно по поверхности – с другими деталями, с рабочим телом (жидкостью или газом) и с окружающей средой. Наблюдающаяся интенсификация этих контактов – увеличение давлений, скоростей, температур и агрессивности жидкостей и газов – требует изменения отношения к поверхностному слою деталей именно в нанометрическом диапазоне. Этот слой должен быть твердым, остаточные напряжения должны быть непременно сжимающими, структура его – чрезвычайно мелкодисперсной, а микронеровностям необходимо придавать сглаженную форму, чтобы обеспечивать большую площадь опорной поверхности, что приводит к снижению местных напряжений. Важно при этом отметить, что речь идет не об единичных, уникальных изделиях, а об изделиях массового и серийного производства, таких как лопатки современных турбин, головные обтекатели ракет, диски памяти, зеркала для лазеров и т.п. Таким образом, решение этой задачи имеет две стороны. Во-первых, необходимо обеспечить требуемые свойства поверхности по ее структуре и прочностным свойствам, а во-вторых – добиться необходимой формы и точности размеров на нанометрическом уровне. Разработанные отечественными учеными методы поверхностного пластического деформирования (ППД) позволяют путем последовательного локального деформирования металла, при котором объем очага деформации имеет размеры порядка десятых долей миллиметра (во всяком случае, не более нескольких миллиметров), осуществлять нормирование размеров очага деформации и тем самым управлять качеством упрочнения поверхностного слоя. Натурные и компьютерные эксперименты позволяют рассчитать долговечность детали, то есть жизненный цикл металла от формирования заготовки до разрушения при эксплуатации, рассматривая его как единый процесс исчерпания ресурса пластичности металла. Для решения второй задачи – достижения точности формы и размеров изделия – необходимо изучить причины нарушения стабильности относительного положения режущего инструмента и детали и разработать методы повышения стабильности путем активного воздействия узлы, формирующие зону резания. Раньше, при менее жестких требованиях к точности размеров и к форме обработанной поверхности, этому явлению не уделялось внимания. Важность борьбы с указанным источником нестабильности может быть охарактеризована, например, таким мнением, высказанным в литературе: уменьшение шероховатости плоской поверхности диска памяти на один класс увеличивает объем его памяти на порядок. При токарной обработке существует три