Разработка научных основ повышения работоспособности рабочих органов и инструментов машин и оборудования лесного комплекса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Разработка научных основ повышения работоспособности рабочих органов и инструментов машин и оборудования лесного комплекса

Специальности: 05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

доктора технических наук

Пыриков Павел Геннадьевич

Брянск - 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Брянская государственная инженерно-технологическая академия”

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, Памфилов Евгений Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Бондарев Борис Александрович

доктор технических наук, профессор, Смоленцев Владислав Павлович

доктор технических наук, профессор, Филонов Александр Андреевич

Ведущая организация Московский государственный университет леса (141001, г. Мытищи-1, Московской обл. МГУЛ)

Защита диссертации состоится « 26 » июня 2009 г. в 10⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 при Воронежской государственной лесотехнической академии (394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8,зал заседаний - аудитория 240).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежской государственной лесотехнической академии (ВГЛТА).

Автореферат разослан «15» мая 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Скрыпников А.В.

рабочий лесной инструмент

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования Возросшие в последние годы требования к качеству и конкурентоспособности продукции предприятий лесного комплекса, появление спроса на новые ее виды и повышение объемов производства определяют необходимость создания и использования новых и усовершенствованных технологий в сфере заготовительных и перерабатывающих производств, использования высокоэффективного технологичного оборудования и инструментов, в значительной степени импортного производства. В связи с этим возникла серьезная проблема сохранения и развития в России станко- инструментальной отрасли, продукция которой определяет технический уровень многих предприятий, осуществляющих заготовку и переработку древесины.

В вопросах совершенствования технического и технологического уровня предприятий лесного комплекса основной, наряду с производительностью, встает проблема обеспечения надежности и работоспособности технических систем. Ее решение в значительной степени затруднено ограниченными эксплуатационными свойствами используемых материалов, недостаточно эффективными технологиями производства изделий и их доэксплуатационной подготовки.

Зачастую серийно выпускаемое оборудование и режущие инструменты не обеспечивают реализацию необходимых технологических режимов, отвечающих современным требованиям к производительности и качеству продукции. Это в полной мере относится к рабочим органам лесозаготовительного оборудования, деревообрабатывающим станкам, оборудованию измельчительного назначения. С расширением спектра обрабатываемых материалов на основе древесины отмечается ограничение возможностей применения серийно выпускаемых режущих и деформирующих инструментов, что связано с необходимостью поиска путей существенного повышения уровня их эксплуатационных свойств.

Многообразие форм и видов разрушения конструкционных и инструментальных материалов, определяемых факторами эксплуатации, вызывает необходимость использования некоего универсального оценочного параметра работоспособности (состояния, обеспечивающего выполнение объектом заданной функции с регламентированными параметрами в течение определенного времени), в качестве которого для многих инструментов и рабочих органов машин может быть успешно использована их стойкость. Эффективное управление стойкостью рабочих органов лесозаготовительного, деревообрабатывающего и бумагоделательного оборудования можно обеспечить путем комплексного формирования благоприятного сочетания составляющих качества поверхностных слоев материалов в зонах разрушения (износа). Основными из них являются: физико-химические свойства, шероховатость, микротвердость, дефектность, структурное и фазовое состояние. Выбор путей оптимизации этих параметров в существенной степени определяется эксплуатационными условиями контактирования взаимодействующих слоев, разрушение которых протекает в широком диапазоне скоростных и температурных режимов и, зачастую, осложнено влиянием активных сред. При этом во многих случаях стойкость рассматриваемых объектов определяется напряженно-деформационным состоянием в зоне контактного взаимодействия.

Учитывая, что поверхностное разрушение локализовано в определенных зонах и определяется трибологическими и механическими свойствами конструкционных и инструментальных материалов, очевидна перспективность управления этими свойствами посредством создания в функциональных слоях благоприятного уровня напряженно-деформационного состояния, в том числе и на основе использования анизотропных эффектов.

Разработка упрочняющих технологий, создающих благоприятные анизотропные эффекты с одновременным управлением свойствами обрабатываемых объектов, может базироваться на основе технологической деформации, индуцирования, обработки концентрированными потоками энергии, механического деформирования и т.д. Вместе с тем сложность формирования параметров, форм и видов анизотропии с одновременным управлением остальными составляющими качества при традиционно реализуемых схемах обработки существенно ограничивает их возможности.

Несмотря на обширную фундаментальную базу сведений о свойствах анизотропных сред, решение лишь ограниченного объема задач доведено до прикладного уровня. В полной мере это касается обеспечения долговечности деталей оборудования и инструментов лесного комплекса, что ограничивает использование технологических возможностей повышения их работоспособности.

Таким образом, можно считать, что обоснование принципов комплексного обеспечения благоприятного сочетания составляющих качества функциональных поверхностей инструментов и рабочих органов деревообрабатывающего оборудования и лесозаготовительных машин и разработка путей его регламентированного формирования для повышения стойкости является актуальной проблемой.

Решение указанной проблемы выполнялось в соответствии с планами научно-исследовательских работ Министерства образования и науки РФ (Государственная регистрация № 01.99.0004519, № 01.20.0004518, № 01.20.0208037), планами НИР Брянской государственной инженерно-технологической академии и др.

Цель и задачи исследования - разработка научных основ комплексного управления совокупностями физико-химических и геометрических характеристик поверхностных слоев рабочих органов и инструментов машин и оборудования лесного комплекса для существенного повышения уровня их работоспособности.

Для достижения цели при выполнении диссертационной работы были поставлены следующие основные задачи:

1. Уточнить характерные виды и закономерности потери работоспособности рабочих органов и инструментов оборудования лесного комплекса.

2. Установить влияние условий эксплуатации инструментов на характер и интенсивность их отказов; установить основные конструктивно-эксплуатационные факторы, влияющие на показатели их работоспособности.

3. Выработать взаимосвязанные требования к показателям качества поверхностных слоев инструментов и разработать основы управления их свойствами для достижения благоприятной совокупности эксплуатационных параметров оборудования лесного комплекса.

4. Теоретически установить закономерности влияния формируемого сочетания уровней физико-химических, механических и геометрических параметров инструментов на их эксплуатационные свойства.

5. Теоретически обосновать и разработать новые способы формирования функциональных поверхностных слоев рабочих органов и инструментов деревообрабатывающего и лесозаготовительного оборудования, обладающих высокой степенью сопротивляемости различным видам разрушения в характерных условиях эксплуатации.

6. Разработать методики экспериментальных исследований закономерностей потери работоспособности инструментов и рабочих органов оборудования с оценкой влияния условий выполнения предлагаемых способов обеспечения стойкости.

7. Исследовать закономерности формирования совокупностей свойств исследуемых объектов в зависимости от режимов их упрочнения для выработки рекомендаций по использованию внешне индуцируемого магнитного поля и технологической деформации для создания благоприятного состояния поверхностных слоев рабочих органов машин и инструментов.

8. Исследовать закономерности влияния состояния поверхностных слоев на характер и интенсивность отказов рабочих органов и инструментов машин и оборудования лесной отрасли; выявить уровни свойств, обеспечивающие наибольшее повышение стойкости при различных режимах эксплуатации.

9. Экспериментально обосновать принципы управляемого формирования благоприятных характеристик поверхностных слоев режущих и деформирующих инструментов для обработки древесины и материалов на ее основе, а также рабочих органов лесозаготовительных машин и оборудования при реализации усовершенствованных методов деформационной, магнитной, лазерной и электроискровой обработок, обеспечивающих эффективное повышение стойкости.

10. Выработать рекомендации по реализации предлагаемых путей повышения работоспособности для их внедрения в промышленность.

В качестве объекта исследования принималось свойство работоспособности рабочих органов и инструментов машин и оборудования лесного комплекса.

Предмет исследования - рабочие органы и инструменты дерево- и бумагообрабатывающего и лесозаготовительного оборудования.

Методы исследования и достоверность результатов. Пути обеспечения управления свойствами поверхностных слоев инструментов оборудования лесного комплекса основаны на использовании данных об условиях их эксплуатации, с выявлением факторов, определяющих работоспособность. С учетом этого предложены новые способы обработки поверхности исследуемых объектов источниками с высокой концентрацией энергии, в управляемых магнитных полях, а также при формировании электролизных покрытий в состоянии направленного индуцирования, обеспечения поверхностной прочности, создания многофункциональных поверхностных структур с регламентированными свойствами, формирования благоприятного уровня остаточных напряжений технологической деформацией и проч.

Теоретической базой выступают экспериментальные данные и теории резания древесины и полимеров, трения и изнашивания, технологии производства техники и инструментов лесной отрасли, теоретической механики, а также теории упругости, математического моделирования, теории вероятности, математической статистики и материаловедения.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается сопоставлением данных лабораторных, натурных и производственных экспериментов, а также опубликованными результатами исследований ряда авторов. Новизна технических решений подтверждена приоритетом авторских прав.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

Теоретически обоснованы пути обеспечения работоспособности дерево- и бумагообрабатывающего инструмента, цепных рабочих органов оборудования, окорочных и лущильных станков, а также оборудования измельчительного назначения для производства щепы и стружки на основе управляемого формирования свойств поверхностных слоев конструкционных и инструментальных материалов. Впервые предложено представить комплексное сочетание их параметров в форме анизотропной системы, адаптируемой к условиям эксплуатации машин.

Показано, что формирование требуемых свойств может осуществляться за счет управления напряженно-деформационным состоянием поверхностных слоев при регламентации кристаллографической упорядоченности, структурного и фазового состояния, шероховатости, микротвердости, морфологических и топографических параметров. Установлено, что степень влияния каждого из них на формируемые свойства материалов определяется характером разрушения, видом анизотропии, температурным режимом и действием внешней среды.

Впервые предложена и обоснована возможность обеспечения сбалансированного сочетания показателей составляющих качество рабочих поверхностей инструментов на основе управляемого индуцирования за счет регламентации магнитострикционных напряжений, минимизации эпитаксии, обеспечения текстурирования, а также полеориентированного электроосаждения гальванических покрытий.

Разработаны теоретические основы технологического создания благоприятного сочетания уровней остаточных напряжений, микротвердости, шероховатости, а также структурного и дефектного состояний поверхностей рабочих органов и инструментов оборудования отрасли при воздействии источниками с высокой плотностью энергии в управляемом магнитном поле. При этом впервые предложен системный подход к обоснованию возможности структурной самоорганизации в материалах изделий с позиций магнитной гидродинамики и кинетики структурообразования. Показано, что упорядоченность кристаллографических плоскостей и направлений, создающая прогнозируемый комплекс свойств, определяется величиной напряженности магнитного поля и температурного градиента, создающего условия для направленного роста зерен.

Разработаны теоретические основы управления деформационным состоянием рабочих поверхностей изделий с учетом эффекта упрочнения при объемном нагружении. Установлено, что деформация материала с кристаллографической упорядоченностью реализуется стадийно с накапливанием определенного запаса прочности в направлениях, отличных от главных направлений деформации.

Разработана нейросетевая модель для оценки уровня работоспособности изделий, оптимизированная по критерию стойкости конструкционных и инструментальных материалов. Использование искусственно сформированного алгоритма обработки данных позволяет прогнозировать уровень эксплуатационных качеств при исключении необходимости дифференцированной оценки влияния режимов и условий эксплуатации на формируемые свойства материалов.

Теоретически и экспериментально обоснованы новые технологические решения и оборудование для формирования в материалах регламентированных состояний (патенты РФ № 2118383, № 2162111, № 2186129, № 2186670, № 2224826, № 2238986, № 2240360, № 2275445, № 2275432, № 2273672, № 2273671, № 2276191).

Практическая значимость и реализация результатов работы

Разработаны промышленные рекомендации по реализации новых способов повышения стойкости режущих и деформирующих инструментов деревообрабатывающего и бумагообрабатывающего назначения, а такжерабочих органов лесозаготовительных машин на основе формирования сбалансированного сочетания параметров поверхностных слоев инструментальных материалов.

Разработаны промышленные режимы применения новых видов деформационного, лазерного и электроискрового методов упрочняющей обработки материалов, включающие регламентированную технологическую деформацию и индуцирование внешними магнитными полями. Разработаны рекомендации и предложены способы повышения стойкости инструментов для обработки древесины и материалов на ее основе; использования многофункциональных электролитических покрытий.

Предложены рекомендации по эффективному использованию технологий упрочняющей обработки инструментов для обработки древесины, бумаги и картона.

Даны предложения по целесообразному использованию рекомендаций работы для повышения срока службы инструментов, деталей машин и оборудования лесного комплекса, внедрение которых обеспечивает повышение износостойкости в 1.4 - 2.6 раза.

Внедрены в учебный процесс ВУЗов программные продукты и лабораторное оборудование, использование которых позволяет более эффективно организовывать процесс обучения.

Результаты работы внедрены на ОАО «Котласский ЦБК» (г. Коряжма, Архангельской обл.), ЗАО ПЭФ «Союз» (г. Москва), ОАО «Кондровская бумажная компания» (г. Кондрово, Калужской обл.), ОАО «Брянский Арсенал» (г. Брянск), ЗАО «Группа «Кремний» (г.Брянск), ОАО ПО «Одинцово» (г.Одинцово, Московской обл.), ОАО «Мебельщик» (г. Нижний Тагил), ЗАО «Брянский завод мебельных деталей», в учебный процесс Брянской государственной инженерно-технологической академии (БГИТА), Брянского государственного технического университета (БГТУ).

Положения, выносимые на защиту

- 05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки:

1. Методы прогнозирования эффективности технологий обеспечения стойкости рабочих органов и инструментов оборудования лесного комплекса и обоснования принципов и систем для их реализации.

2. Результаты внедрения способов повышения надежности и эффективности функционирования процессов механической обработки древесины на основе обеспечения высоких эксплуатационных качеств оборудования и режущего инструмента.

3. Методы управления состоянием рабочих поверхностей инструментов и элементов оборудования лесного комплекса по критерию стойкости.

4. Методы оценки и управления функциональными показателями рабочих элементов в узлах дерево- и бумагообрабатывающего оборудования и инструментов, рабочих органах машин лесного комплекса.

5. Результаты исследований и разработки технологий и средств повышения стойкости рабочих органов и инструментов деревообрабатывающего и лесозаготовительного оборудования.

- 05.21.01. Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства:

1. Результаты исследований условий функционирования рабочих органов и инструментов оборудования и лесозаготовительных машин.

2. Результаты исследований стойкости элементов оборудования и режущих инструментов с обоснованием взаимосвязанных требований к показателям качества поверхностных слоев и прогнозируемому уровню работоспособности.

3. Результаты разработки и совершенствования методов управления качеством работы машин, оборудования и инструментов лесного комплекса.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены и обсуждены на семинарах и заседаниях Ученых советов Брянского государственного технического университета, Брянской государственной инженерно-технологической академии, Московского государственного университета леса, Московского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского, Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии, ГНУ «Институт механики металлополимерных систем им. В.А.Белого» НАН Беларуси (1997 - 2005 гг); на научно-технических конференциях разного уровня: «Современные проблемы машиностроения и технический прогресс». г. Севастополь, 1996 г., «Теория, проектирование и методы расчета лесных и деревообрабатывающих машин».г.Москва, МГУЛ, 1996, «Создание ресурсосберегающих машин и технологий». г. Могилев, Машиностроительный институт, 1996 г., «Повышение эффективности технологических процессов изготовления деталей машин». г. Курган, 1999 г., «Ресурсосберегающие технологии в лесном хозяйстве, лесной и деревообрабатывающей промышленности». г. Минск , 2000 г., МНТК «Комплексная переработка древесного сырья на базе эффективных и энергосберегающих технологий». г. Архангельск, АрхГТУ, 2000 г., «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов», г. Воронеж, ВГТУ, 2003 г., «Полимерные композиты и трибология» («Поликомтриб-2005»), г. Гомель, 2005., «BALTTRIB 2007» г. Каунас, 2007.

Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в 52 печатных работах, в том числе 13 в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора наук, а также в монографии, описаниях 14 изобретений, в сети Интернет (www.bgita.ru, www.vgtu.ru)

Личный вклад автора в опубликованных работах заключается постановке и решении задач диссертации, в выявлении актуальности и формулировании научной проблемы обеспечения износостойкости инструментов и деталей машин и оборудования лесного комплекса, а также инструментальных и конструкционных материалов, использование которых предполагается в условиях идентичных рассматриваемым.

Автором предложены, разработаны и запатентованы новые конструкции рабочих органов машин и инструментов лесного комплекса и способы их доэксплуатационной обработки, обеспечивающие повышение работоспособности.

Структура и объем работы

Диссертация включает введение, 8 разделов, выводы и рекомендации, список использованных источников, 8 приложений. Работа изложена на 326 страницах машинописного текста и содержит 103 рисунка, 20 таблиц.

Список использованных источников включает 215 наименований. В приложениях приведены акты испытаний и внедрений результатов работы.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, указана ее цель и задачи исследований, научная новизна, а также теоретическая и практическая значимость результатов, выносимых на защиту.

В первом разделе приводится анализ условий эксплуатации и закономерностей отказов инструментов и рабочих органов деревообрабатывающего и лесозаготовительного оборудования, принятых в качестве объектов исследования; рассматриваются особенности потери их работоспособности и предлагаются пути обеспечения стойкости.

По данным работ В.В.Амалицкого, Вит.В.Амалицкого, Б.А.Бондарева, С.Н.Иванова, В.К.Курьянова, С.М.Мазарского, И.З.Малинского, К.Ю.Эпштейна, Х.Лемана, Л.Рихтера, Д.Хойера, А.А.Филонова, Д.М.Фляте, Б.Н.Моисеева, В.Г.Лихомского и др. установлено, что при эксплуатации инструмента и ряда рабочих элементов оборудования лесного комплекса их отказы преимущественно происходят в результате различных видов разрушения и изнашивания рабочих поверхностей, а отказы проявляются в виде ухудшения режущей способности, появления недопустимого уровня вибрации; роста потребляемой мощности, снижения точности обработки.

Изнашивание в рассматриваемых условиях эксплуатации представляет сложный процесс, интенсивность и закономерности протекания которого определяются характером фрикционного взаимодействия, совокупностью характеристик и структурой функциональных поверхностных слоев.

Фундаментальные и прикладные основы поверхностного разрушения материалов при изнашивании освещены в работах Э.Д.Брауна, Ф.П.Боудена, Н.А.Буше, Д.Н.Гаркунова, И.Г.Горячевой, В.В.Гриба, Н.Б.Демкина, Ю.Н.Дроздова, Б.И.Костецкого, И.В.Крагельского, Ю.К.Машкова, Н.М.Михина, Е.А.Памфилова, Л.М.Рыбаковой, Э.В.Рыжова, А.П.Семенова, Д.Тейбора, А.В.Чичинадзе и других исследователей. Анализ этих работ позволяет отметить особую роль влияния состояния контактирующих поверхностей на величины их износа. В основном указанное состояние поверхностей характеризуют: шероховатость поверхности, уровень остаточных напряжений, микротвердость, поверхностная (усталостная) прочность и трещиностойкость, структурное и дефектное состояние используемых материалов.

Особую роль играет кристаллографическая ориентация, обусловливающая критическую величину напряжений до разрушения материала поверхностных слоев. При этом исходное состояние поверхностных слоев может обеспечивать достаточный ресурс механических свойств, что в сочетании с дополнительными эффектами упрочнения позволяет управлять сопротивляемостью процессам разрушения режущих инструментов, деталей машин и оборудования лесного комплекса. В то же время объем информации, характеризующей связь различных видов анизотропии с функциональными характеристиками изнашиваемых поверхностей недостаточен для установления связи эксплуатационных режимов (температуры, нагрузок, условий их приложения и проч.) с триботехническими свойствами конкретных изделий.

Анализ работ в этом направлении (Е.К. Ашкенази, Р.А. Адамеску, В. Бэкофен, Г. Вассерман, Я.Д. Вишняков, В.С. Смирнов, Е.М. Савицкий, Р. Кристенсен, С.Г. Лехницкий, П.Г. Микляев, Я.Б. Фридман, И.А. Одинг, Ф.И. Рузанов, Р. Хилл) показывает на необходимость оценки закономерностей влияния свойств анизотропных металлических материалов на показатели их поверхностного разрушения. Недостаточен также объем информации, раскрывающей закономерности влияния кристаллографического упорядочения в металлах на эффекты их упрочнения и возможность управления эксплуатационными свойствами изделий.

Вопросам технологического обеспечения качества поверхности уделено большое внимание в работах Н.А.Воронина, А.О.Горленко, К.И. Демьяновского, Н.Б.Демкина, Г.Н.Дубинина, А.А. Маталина, А.В.Моисеева, Е.А. Памфилова, Э.В. Рыжова, А.П.Семенова, В.П.Смоленцева, А.Г.Суслова, В.П.Федорова, М.М.Хрущова, Г.Л.Хаета, М.Х.Шоршорова и многих других.

Результаты их исследований, применимые к условиям изнашивания инструмента и деталей деревообрабатывающего оборудования, показывают, что наиболее перспективными способами их упрочнения, являются: обработка материалов концентрированными источниками энергии (лазерная и плазменная обработки, детонационные, электронно-лучевые и др. методы), а также методы гальванического формирования износостойких покрытий.

Однако известные схемы реализации этих методов не обеспечивают необходимой степени воздействия на функциональные свойства, что не позволяет использовать их потенциальные возможности при обеспечении стойкости инструментов.

Перспективными являются и упрочняющие технологии обработки изделий управляемыми электрическими и магнитными полями (Ю.В.Баранов, И.Л.Батаронов, М.Л.Бернштейн, О.О.Болотов, С.В.Вонсовский, Галей М.Т., В.Н.Пустовойт, О.А.Троицкий, В.Курц, Н.В.Котельников, Е.А.Туров, М.А.Кривоглаз, В.Н.Чижов, Л.Янг). Эти технологии позволяют формировать в изделиях необходимую остаточную намагниченность, микротвердость и шероховатость, а также создавать благоприятный фазовый состав.

Однако и они недостаточно изучены в части регламентации анизотропных состояний при индуцировании расплавов металлов и покрытий для использования их в целях повышения работоспособности рабочих режущих органов и инструментов деревообрабатывающей техники. Также ограничен объем информации о влиянии индуцирования на формирование упорядоченных кристаллографических состояний и их влияние на износ. При этом анализ работ А.Ф.Александрова, Ю.К.Круминя, Н.В.Окорокова, И.И.Новикова, Л.Л.Тира, И.А.Чернышева, Дж. Шерклифа позволяет отметить перспективность применения магнитных полей при различных видах упрочнения.

Таким образом, для повышения стойкости рассматриваемых объектов требуется решение ряда теоретических и экспериментальных задач, которое рассматривается в последующих главах.

Во втором разделе теоретически обоснованы принципы управляемого формирования благоприятной совокупности свойств функциональных поверхностей рабочих органов и инструментов оборудования лесного комплекса для достижения заданного уровня их работоспособности.

Учитывая градиентно-поверхностный характер изнашивания, представляется целесообразным формировать в зонах износа сбалансированное сочетание благоприятных уровней параметров состояния поверхности в анизотропной форме (рисунок 1). Для реализации указанных схем предлагается, используя эффекты механической или электромагнитной природы, обеспечить управление напряженным состоянием, величинами параметров шероховатости, микротвердости, а также структурным состоянием, трещиностойкостью и выносливостью.

Для этого предполагается использование регламентированной деформации, формирование кристаллографической упорядоченности в структуре поверхностных слоев, создание конверсионной структуры многофункциональных гальванических покрытий при регламентированном индуцировании.

Поскольку известно положительное влияние на стойкость рабочих органов и инструментов оборудования отрасли остаточных напряжений сжатия, которые позволяют снизить трещинообразование и проникновение в глубь инструментальных материалов поверхностно-активных веществ, целесообразно формирование их благоприятного уровня в рабочих зонах за счет направленной технологической деформации. Ее величина определяется остаточными и температурными напряжениями, коэффициентом поперечного сечения деформируемого объекта, эксплуатационной нагрузкой и температурным диапазоном деформации, лимитирующимся теплостойкостью материала.

Использование магнитных полей для формирования анизотропии механических свойств сплавов основано на магнитопластической деформации в кристаллической структуре.



Рисунок 1 - Схема обеспечения работоспособности инструментов и рабочих органов деревообрабатывающего и лесозаготовительного оборудования с использованием анизотропных эффектов

При этом происходит регламентированная направленность в движении точечных дефектов, объединяющиеся в группировки, искажающие симметрию решетки материала. Установлено также, что исходный уровень остаточных напряжений способен оказать влияние на уровень формируемых остаточных напряжений.

Возможность оптимизации параметров шероховатости рабочих поверхностей обусловлена влиянием магнитострикции, создающей эффект анизотропии. Учитывая сопоставимость параметров шероховатости с размерами блоков структурных составляющих допускалось, что изменения шероховатости поверхности способны отразиться на условиях фрикционного контакта при взаимодействии инструментов с древесиной.

Достигнуть качественно нового уровня состояния функциональных поверхностей изделий предлагается за счет перекристаллизации в магнитном поле в условиях термомагнитной стимуляции. Формирующаяся при этом совокупность свойств представлена разного рода текстурными формированиями. При этом установлена возможность управлять наиболее значимыми в отношении сопротивляемости различным видам разрушения материалов параметрами: фрикционной усталостью ₀, коэффициентом трещиностройкости К_с, поверхностной сопротивляемостью материала микрорезанию , пределом выносливости _-1, поверхностной твердостью H , параметром шероховатости Д и остаточным напряженным состоянием _ост , h_ост.

Однако большая эффективность ожидается от управления кристаллографической анизотропией в изнашиваемых областях инструментов, поскольку в поликристаллических материалах, к которым относится большинство конструкционных и инструментальных сталей, целесообразно формирование многофункциональных форм анизотропии.

Возможность формирования необходимой совокупности свойств гальванических покрытий на функциональных поверхностях объектов исследований основывается на принципах многофункциональности, в которых структура покрытия представлена совокупностью послойно осаждаемых металлов. При этом в каждом слое формируется заданная кристаллографическая упорядоченность. При этом свойства наружного слоя создаются в результате трибологической конверсии.

Для реализации предложенных принципов управления состоянием поверхности рабочих органов и инструментов деревообрабатывающего и лесозаготовительного оборудования в целях повышения их работоспособности устанавливались и анализировались качественные признаки формируемых анизотропных эффектов. Для этого на основе моделирования определялись ориентационные, магнитогидродинамические и термокинетические условия их обеспечения.

В третьем разделе теоретически обоснованы условия формирования анизотропных состояний на поверхностях рабочих органов и инструментов деревообрабатывающего и лесозаготовительного оборудования в форме ориентационных моделей кристаллографического упорядочения. Их основу составили принципы сингониальной репродуктивности кристаллических состояний инструментальных материалов, характеризуемой свойством трансляционной симметрии кристаллических состояний в зернограничных порядках.

Проводимая идеализация состояла в решении прямой и обратной задач. Согласно условиям прямой задачи, задавались положения объекта подвергнутого обработке, вектора магнитной индукции В, а также тип кристаллической решетки (рисунок 2).

Рисунок 2 - Интерфейс программы расчета ориентационных эффектов для макромоделей типа «просекатель», «нож», «конический просекатель»

Определяются координаты вектора внешней нагрузки (например, силы трения) F при которых он оказывался параллельным регламентированному кристаллографическому направлению N, в котором выражен максимум заданного свойства материала.

В обратной задаче при тех же условиях предполагается наличие координат вектора внешней нагрузки и произвольного положения кристаллической решетки определенного базисного типа. Определяется положение вектора магнитной индукции В, при котором вследствие переориентации направлений легчайшего намагничивания А обеспечивается заданное соответствие положений регламентированного направления N деформации вектору F.

Влияние направленного индуцирования на закономерности формирования анизотропных состояний на основе кристаллографического упорядочения в инструментальных материалах при нагреве до температур существенно выше точки Кюри объясняется гипотезой о неравенстве температурных зависимостей намагниченности и поля анизотропии, при котором в некотором интервале температур интенсивность убывания поля анизотропии превышает интенсивность убывания намагниченности; при этом в некоторый момент времени их интенсивности совпадают, а в последующем доминирует поле анизотропии.

Установлено, что на стадии существования жидкого состояния материала влияние поля сводится к ориентированию течений вдоль магнитных силовых линий под воздействием пондеромоторной силы, или (в случае обратного эффекта) объемной электродинамической силы, создающей перепад давления в среде.

Магнитогидродинамические (МГД) приближения ориентационного эффекта представляются в виде плазменной модели на основе допущения о том, что при краткотечном воздействии высокотемпературным импульсом (например, лазерным лучом) структура расплава близка к структуре плазмы.

Установлено, что процесс кристаллографического упорядочения при охлаждении из расплава в магнитном поле характеризуется как открытая (магнитогидродинамическая) нелинейная диссипативная система, далекая от термодинамического равновесия, которой присущи нижеприведенные признаки:

§ открытость - поступление энергии извне (в данном случае энергия лазерного излучения «закачиваемая» в металл;

§ нелинейность системы - из за большой импульсно приходящей и импульсно увеличивающейся лазерной энергии (длительность импульса 2 - 8 мс) характеризуется сильной нелинейностью и диссипативностью с протеканием фазового перехода от анизотропного расплава к кристаллической структуре;

§ диссипативность системы - подтверждается тем, что в существенном интервале времени магнитные числа Рейнольдса оказываются меньше единицы.

§ удаленность от термодинамического равновесия - плотность кинетической энергии упорядоченного движения частиц оказывается меньше плотности энергии лазерного луча.

Развитие данной системы основано на принципах синергетики, выраженных в упорядочении структуры инструментального материала в жидком состоянии за счет направленности термоциркуляционного перемешивания под воздействием магнитного поля и упорядоченной кристаллизации при сильном влиянии нелинейности.

В ориентационной модели направленной перекристаллизации в магнитном поле термокинетические условия структурообразования (кристаллографического упорядочения) представляются в виде самоорганизующейся пространственно-временной диссипативной системы, отличающейся сильной нелинейностью и эволюционирующей в состояние с минимумом производства энтропии.

При нагреве и охлаждении в магнитном поле образующийся единичный полигон рассматривается в виде помещенного в жидкость твердого кубического тела, параметры плоскостей и граней которого определяются сингониальной спецификой, из материала с положительной магнитной восприимчивостью в функции напряженности поля.

Ввиду исключительной сложности прогнозирования характера гидродинамических потоков в объеме расплава, а также взаимного влияния образующихся полигонов, влияние факторов обработки на кинетический потенциал системы в текущий момент времени представляется в виде возрастающей вязкости ориентационной среды при переходе из жидкого в твердое (кристаллическое) состояние, что соответствует образованию полигонов в расплаве - первая точка бифуркации.

Ориентационные факторы представлены обобщенным термокинетическим потенциалом W (разностью температуры на границе изложницы и в объеме расплава, создающей гидродинамическое течение), понижающегося с увеличением S и t и ориентирующим плоскость Щ по нормали к контуру Г в некоторый начальный момент времени t₀ образования полигона, а также вектором магнитной индукции В, ориентирующим плоскость Щ.

Установлено, что влияние магнитного поля выражено в изменении суммарного ориентационного эффекта Э_У от факторов W и В в функции времени dt (рисунок 3). Под частным ориентационным эффектом понималась степень влияния каждого из указанных факторов на способность тела изменять ориентацию, при которой обеспечивается соответствие положения заданного кристаллографического направления регламентированному положению, определенному магнитным полем (вторая точка бифуркации).

Степень взаимовлияния факторов В и W учитывается коэффициентом BI = В/W. Уравнения для частных и суммарного эффектов в функции времени представлены ниже, где t, t₁, t₂, t_k - временные реперы, причем t_k - время, характерное нагреву до температуры Кюри (Т_k), Т_пл - температура плавления, Т₀ - температура, соответствующая моменту приложения теплового импульса (начальная), Т_пл` - температура, обусловленная выделением скрытой теплоты кристаллизации.



На основании результатов моделирования процессов охлаждения из расплава, а также при импульсном температурном воздействии установлено, что предпосылки для управляемого кристаллографического упорядочения могут быть обеспечены при значениях коэффициента BI в пределах 500 - 50000.

Возрастающим значениям соотношения факторов В и W соответствует пологий характер температурной кривой, что подразумевает возрастание влияния фактора Э_в. Приоритет влияния эффектов определяется временем оценки: при t < t₀ преобладает фактор Э_w, , при t > t₀ - прогнозируется преобладание фактора Э_в (t₀ -- корень уравнения Э_У(t) = 0), причем эффект Э_w(t) существует в любой момент времени до завершения кристаллизации t₂, а эффект Э_в(t), только при t > t_k. При соотношении В/W = 1 влияние В на ориентационный эффект не прослеживается.

Допуская постоянство интенсивности теплоотвода во всех сериях моделирования установлено, что с повышением значения соотношения В/W критическое значение времени, с превышением которого начинается устойчивое доминирование влияния фактора В, уменьшается и при В/W = 50000, становится близкой значению t_k (рисунок 4).

При этом отмечено возрастание влияния фактора B (что соответствует твердорастворному состоянию сплава), слабо меняющееся затем с последующим ростом BI.

Полученные результаты позволили при различных значениях параметров Т_пл, Т_k, t₁, t₂ кристаллизации уточнять величины напряженности магнитного поля, обеспечивающего формирование заданных состояний в инструментальных материалах в период кристаллизации.

В целях прогнозирования различных условий формирования анизотропных эффектов на основе полученных результатов использовалась концепция нейросетевого моделирования. Для исследований была выбрана архитектура многослойной сети прямого распространения. В качестве входов X в модели принимались: марка упрочняемого материала; кристаллографическое направление; плотность энергии термического воздействия; напряженность магнитного поля; способ упрочнения поверхности; состояние индуцирования (по константам); глубина упрочнения. В качестве выходных факторов Y рассматривались: микротвердость упрочненной поверхности; эквивалентные остаточные напряжения; параметры шероховатости обработанной поверхности (R_a, R_max, S_m, с).

Результаты испытаний на разработанной нейронной модели показывают устойчивую коррелированную связь между расчетными и экспериментальными данными (отклонение значений, спрогнозированных обученной нейронной сетью, от результатов экспериментальных исследований не превышало 10 %).

Обоснованная ранее возможность формировать в рабочих зонах объектов исследования благоприятное сочетание параметров состояния поверхности предопределило необходимость оценки его влияния на их стойкость и работоспособность. В этих целях выполнялись исследования закономерностей разрушения (изнашивания) конструкционных и инструментальных материалов, параметры состояния которых задавались в анизотропной форме.

В четвертом разделе приведены результаты теоретических исследований закономерностей разрушения материалов рабочих органов и инструментов деревообрабатывающего и лесозаготовительного оборудования, основанные на управлении их напряженно-деформационным состоянием (НДС). При этом принималось во внимание исключительная роль НДС в формировании критических уровней напряжений, соответствующих началу процессам разрушения поверхностей при фрикционном взаимодействии.

Рисунок 3 - Температурная зависимость Э_У при охлаждении расплава от времени t охлаждения при BI 5000

Рисунок 4 - Зависимости суммарного ориентационного эффекта Э_У от времени перекристаллизации t при BI 700 (а), 900 (б), 1200 (в) соответственно

Модель нагружаемого (деформируемого) объекта - полупространства представляется слоем с регламентированной кристаллографической упорядоченностью, подслоем с трансверсально-изотропными (ортотропными) характеристиками и изотропной подложкой (материалом основы). Для каждого слоя контактное сближение моделировалось внедрением жесткой шероховатой полусферы в однородное полупространство, характеризующегося анизотропией общего вида с осью упругой симметрии, в плоскости действия нормальной нагрузки.

При известных упругих константах для монокристаллов с различными типами решеток задавались приращения вертикальных перемещений пуансона до значения критического сближения и определялась величина октаэдрического касательного напряжения по глубине внедрения, сравниваемого с величиной предела текучести на сдвиг в устанавливаемых кристаллографических направлениях.

Для анизотропного слоя принималась гипотеза континуума при концепции эффективной гомогенности, дающей основание полагать одинаковыми однородные свойства среды во всех рассматриваемых точках, т.е. фазовый контраст структуры анизотропного слоя усреднялся и ассоциировался с масштабом длины осреднения, вследствие чего становилось возможным предсказывать эффективные свойства идеализированной гомогенной среды через свойства отдельных фаз.

Для идеального жесткопластического материала условие пластичности имеет вид: F(у_ij) ? Ѕ A_ijpqу_pjу_pq (i, j, p, q = 1, 2, 3), где A_ijpq - тензор пластической анизотропии, симметричный как по паре индексов (ij), (pq), так и по индексу внутри пары (i,j), (p,q).

Принимая функцию F(у_ij) равную пластическому потенциалу, получим закон течения для анизотропного материала: dе_ij= dлA_ijpq у_pq, где dл - положительный множитель пропорциональности.

Для учета упрочнения процесс деформирования разбивался на этапы, соответствующие приращениям эквивалентной деформации Де_i = е_i+1 - е_i. Для выбранной точки деформируемого материала и приращения эквивалентной деформации Деi эквивалентное напряжение у считалось постоянным, равным текущему пределу текучести, но отличным от предела текучести на предыдущем и последующем этапах деформирования. В этом случае на каждом этапе деформирования материал считался идеально жестко-пластическим, а для всех этапов - упрочняющимся. В этом случае величина у_si определяется из соотношения

i = 0, 1, 2, 3…N

При направлениях растягиваемых образцов, совпадающих с направлениями б = 0, б = 90 и б = 45 град., отношение компонентов приращения деформаций по ширине к компоненте приращения деформаций по толщине принимает вид:

Значения A₁₁₁₁, A₂₂₂₂, A₁₁₂₂ и A₁₂₁₂ получаются из зависимости предела текучести от угла наклона б (для конкретного кристаллографического формата или же при деформировании по различным кристаллографическим направлениям, когда б = 0). Можно показать, что максимум и минимум предела текучести у имеют место вдоль осей анизотропии, а также в направлениях б таких, что

Таким образом, для материала с регламентированным кристаллографическим упорядочением (соответствующим форматом текстуры) в случае ортотропии знание трех коэффициентов R₀, R₄₅, R₉₀ полученных из трех испытаний образцов, вырезанных под углами 0, 45 и 90 град. является необходимым и достаточным условием, определяющим отношения трех параметров A₁₁₃₃ /A₁₁₂₂, A₂₂₃₃ /A₁₁₂₂ A₁₂₁₂ /A₁₁₂₂ к параметру A₁₁₂₂.

При рассмотрении плоской деформации ортотропного слоя условие текучести представляется в виде:

 ,

где Т - предел текучести при сдвиге по отношению к осям 1 и 2, определяемый формулой 2A₁₂₁₂ = 1/T² .

Полученные результаты расчетов позволили установить допустимый уровень нагрузок (сил резания и трения) на режущую часть инструментов с различным кристаллографическим форматом текстур. Предложенные и обоснованные принципы управления показателями качества поверхностей рабочих органов и инструментов деревообрабатывающей и лесозаготовительной техники представляется целесообразным адаптировать к принятым объектам исследований. В дальнейшем в работе рассматриваются технологические аспекты обеспечения прогнозируемого уровня их работоспособности.

В пятом разделе отражены технологические основы управления физико-химическими и геометрическими характеристиками изделий для обеспечения их работоспособности (стойкости) на основе формирования различных анизотропных состояний.

Установленное положительное влияние на стойкость остаточных напряжений сжатия, снижения уровня трещинообразования, уменьшения степени проникновения поверхностно-активных веществ в поверхностные слои материалов обусловило выбор в качестве упрочняющего фактора воздействие на инструменты направленной технологической деформацией (рисунок 5 а).

Также предложены схемы управления уровнем напряженного состояния в режущей части инструментов за счет эффектов магнитострикции при индуцировании внешним магнитным полем. При этом вектор магнитострикционных напряжений ориентируется нормально превалирующему направлению распространения трещин на режущих кромках.

Возможность формирования геометрической формы анизотропии обеспечивается путем использования покрытий с переменной отражательной способностью (например Al₂O₃) при стимуляции пластических деформаций в области упрочнения внешним переменным магнитным полем, обусловливающем эффект электропластичности, а также на основе управления гидродинамическими потоками в расплаве за счет их перевода в стабильно ламинарное состояние.

Управление структурной анизотропией материалов обеспечивается на основе изменения уровня теплового воздействия на обрабатываемую поверхность при поляризации лазерного луча в полосу с переменной интенсивностью излучения и сканирования вдоль этой полосы. Это позволяет получить несколько структурных состояний обрабатываемого материала за один проход лазерного луча, исключив тем самым необходимость проведения отдельных термических операций, и повысить производительность обработки.

Направленное ориентирование кристаллов в управляемом магнитном поле позволяет сформировать по толщине гальванического покрытия зональные ряды, отличающиеся регламентированной упорядоченностью положения



Рисунок 5 - Схемы формирования в рабочих органах и инструментах деревообрабатывающего и лесозаготовительного оборудования различных анизотропных состояний а - регламентированной механической деформацией; б - направленным индуцированием (магнитострикцией); в - при высокоэнергетическом воздействии в магнитном поле; г - при формировании конверсионной структуры покрытий в магнитном поле

кристаллографических направлений (рисунок 5г). При формировании многослойной структуры покрытия подбор материалов осуществляется с позиций последовательно уменьшающегося коэффициента линейного расширения в каждом слое - от подложки к наружным слоям.

...