№ 8 (158) (2024)

В статье рассмотрены принципиально различные научные подходы по исследованию и управлению процессами на трибоконтакте для металлополимерных узлов трения и отдельно – для металлических. В статье представлены разработанные критерии по выбору наполнителей в композит: для антифрикционных сопряжений – это установление механизма образования вторичных структур (пленки фрикционного переноса); для фрикционных сопряжений – это введение в полимерный композит упрочняющих элементов, которые в результате трения проникают в металлическое контртело и упрочняют его. При этом оценка прочностных характеристик осуществлялась квантово-химическим расчетом и экспериментальным подтверждением данными рентгеноэлектронной и оже-электронной спектроскопии. Что касается повышения износостойкости трибосистем «металл – металл» путем традиционных методов – электродуговая металлизация, газопламенное нанесение покрытия, детонационно-газовое, плазменное и др., они не обеспечивают должным образом устойчивую работу трибосистем. В настоящее время наиболее перспективными методами модификации и упрочнения поверхности являются вакуумные ионно-плазменные технологии. Идеи нанесения тонкопленочных покрытий основываются на технологиях, основанных как на физических процессах (Physical Vapor Deposition – PVD), так и на химических принципах (Chemical Vapor Deposition – CVD). PVD-метод предусматривает перевод материала покрытия в парообразное состояние с последующей доставкой его к образцу и осаждение пара на нем. При реализации CVD-методов покрытия на образец осуществляется из карбонитов, металлоорганики и др. В работе представлены результаты исследований по установлению зависимостей физико-механических и трибологических свойств покрытий – PVD, DLC, высокоэнтропийных и комбинированных от технологических параметров нанесения.

Рассмотрена проблема рационального проектирования конструкции, изготовления формообразующей оснастки из полимерных композиционных материалов и ее использования при формовании тонкостенных композитных конструкций методом вакуумной инфузии. С учетом требования минимальных деформаций коробления формуемой композитной конструкции, вызванных остаточными напряжениями в результате полимеризации связующего, обосновывается необходимость создания такой оснастки за два этапа, включающих изготовление мастер-формы на оборудовании с ЧПУ и самой открытой композитной формы, используемой для формования готовых конструкций. На примере тонкостенной авиационной конструкции сложной геометрии показана возможность формирования технологической схемы и управления режимами изготовления композитной формы и детали, формуемой на ней, с помощью разработанного средства компьютерного моделирования, использующего в качестве исходной информации экспериментально определенные характеристики компонентов (армирующих стекло-, углетканей и термореактивных смол) и CAD модели формуемой конструкции. Необходимое экспериментальное оборудование, техника эксперимента и обработки данных для получения зависимостей сжимаемости и проницаемости от степени заполнения связующим композитных преформ, от соотношения прикладываемого извне компрессионного и внутреннего давления, рассматриваются на примере 8-слойной преформы из стеклоткани Т-10-14. Для корректного описания вязкости термореактивных смол, эволюционирующей в ходе процесса и зависящей от температуры, степени полимеризации и времени, предложена полуэмпирическая модель, параметры которой определяются экспериментально методами дифференциальной сканирующей калориметрии и реометрии. Использование разработанного средства компьютерного моделирования для максимального повышения уровня и выравнивания удельного объема армирующего компонента в теле формуемой конструкции, сокращения продолжительности вакуумно-инфузионного процесса иллюстрируется на примере трех стратегий управления внешним компрессионным и вакуумным давлениями.

Предложено использование волновых технологий при изготовлении нежестких плоскостных деталей с введением в зону формообразования колебаний ультразвукового диапазона в совокупности с технологической оснасткой – системой нулевого базирования. Традиционная технология, используемая на отечественных предприятиях, сопряжена с большой вероятностью возникновения короблений и деформаций ввиду влияния технологических остаточных напряжений (ТОН) в процессе съема припусков и силовых напряжений в процессе пластической деформации детали при закреплении заготовки. Используя современные универсальные программные комплексы типа SimulaAbaqus, ANSYS и т. п., удалось определить величину деформаций, поводок, вызываемых остаточными напряжениями. Полученные данные были использованы для расчета рациональных схем закрепления некоторых типовых нежёстких плоскостных алюминиевых заготовок на технологической оснастке – системе нулевого базирования немецкого производства SCHUNKVERO-SAviation (VSA). Исследования проводились с целью определения технологичности применения данной оснастки на той или иной типовой нежесткой заготовке из алюминиевых сплавов и определения наиболее оптимальной схемы ее закрепления. Предполагаемые величины ТОН определялись механическим и рентгеновским методами. Расчёты выполнялись на примерах реальных деталей авиационной техники типа «балка» и заготовок из алюминиевого проката. Предложенная методика определения максимальной величины деформации заготовки при механической обработке применима к наиболее оптимальному размещению опорных и зажимных модулей системы нулевого базирования (VSA). В совокупности с определенной стратегией волновой механической обработки она позволяет практически полностью компенсировать деформации и получить годное изделие с первого предъявления без выполнения дополнительной операции правки.

Выполнен обзор технологии вакуумного ионно-плазменного (ВИП) напыления покрытий с позиций наукоемкости, её критериев и методик оценки. Рассмотрены технологические особенности создания ВИП-покрытий, где подчеркивается, что процесс формирования покрытия на подложке происходит с участием одних из самых мощных сил в природе – сил межатомного взаимодействия. Это приводит к очень высокому уровню когезионной прочности покрытий, следствием которой является износостойкость и коррозионная стойкость. Методы исследования, диагностики и испытаний ВИП-покрытий, в силу особенностей их строения и свойств, включают, как правило, оборудование и методики ведущих мировых производителей в области электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа, дифракционного анализа, рентгеновской фотоэлектронной спектрометрии, непрерывного и динамического индентирования, стендовых испытаний уникальных свойств. Из опыта научно-практической деятельности авторов приведены примеры покрытий различной природы (нитридные, углеродные, металлокерамические), разной архитектуры (монослойные – однофазные, многослойные – 2D-композиты, дисперсные – 3D-композиты) и разнообразного назначения (износостойкие, триботехнические, антиэрозионные, термобарьерные). В частности, рассмотрены некоторые виды нитридных покрытий TiN, TiAlN, CrAlSiN, которые отличаются высокой твердостью Н  24 ГПа и абразивной износостойкостью. Однако в условиях относительно гладкого трения скольжения износостойкость сохраняет только многофазное наноструктурированное покрытие CrAlSiN. В условиях же каплеударной эрозии максимально высокую стойкость демонстрируют нанокомпозиционные многослойные ВИП-покрытия состава TiN/MoN, которые конкурируют с признанным чемпионом в этой области – сварными пластинами стеллита В3К. При всем том, что толщина рассматриваемых в работе ВИП-покрытий является пленочной и составляет 1…10 мкм, тогда как пластины стеллита имеют толщину не менее 4 мм. В заключении отмечается, что ВИП-технология продолжает осваивать новые материалы, например, создавать алмазоподобные покрытия или покрытия из высокоэнтропийных сплавов. ВИП-технология соответствует высокому уровню наукоемкости, а ВИП-покрытия перспективны для использования в машиностроении.

Рассмотрены аспекты цифровизации производственного процесса на машиностроительном предприятии, связанные с технологической подготовкой производства и управлением технологическими процессами механической обработки резанием. Приведен обзор направлений повышения эффективности машиностроительного производства за счет внедрения цифровых технологий. Показана связь с целевыми ориентирами государственной промышленной и инновационной политики, а также с программами развития ведущих научных и промышленных корпораций страны. Приведено содержание понятия цифровая производственная система. Подчеркнута значимость наличия массива полной и достоверной технологической информации для автоматизации управления производственным процессом на машиностроительном предприятии. Показана необходимость совершенствования технологической подготовки механообрабатывающих производств при внедрении цифровых производственных систем, а также управления процессом резания с целью обеспечения стабильности и качества. Работа в данном направлении позволяет сформировать условия для организационной, информационной и технической совместимости деятельности по технологической подготовке производства, проводимой различными исполнителями, реализовать оперативную взаимосвязь стадий постановки на производство и изготовления изделий и обеспечить стабильность технологических процессов механической обработки. Сформулированы принципы технологической подготовки производства при внедрении цифровых производственных систем. Показано, что использование цифровых технологий при функционировании технологической системы позволяет обеспечить стабильную работоспособность режущих инструментов, а также качество изготавливаемых деталей в условиях стохастического и нестационарного характера процессов механической обработки, что обеспечивает рост значений комплексных показателей надежности и эффективности использования технологических систем. Указаны проблемы и направления перспективного совершенствования цифровизации производственного процесса на машиностроительном предприятии.