«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ (ИнЭРТ-2012) Труды X Международного научно-технического форума Ростов-на-Дону 2012 ИнЭРТ-2012 УДК 621:502:005.591.6:658 И 66 И 66 Инновация, экология и ...»
В литейных цехах машиностроительных заводов России для изготовления стержней нашли широкое применение технические лигносульфонаты (ТЛС) [1,2]. Однако в существующих рецептурах стержневых смесей ТЛС применяют только в сочетании с крепителями, содержащими токсичные органические растворители (КО, УСК, СКТ-10, НПК и др.). При температуре заливки металла из этих крепителей в атмосферу рабочей зоны выделяются токсичные соединения, в том числе бензопиррен, обладающий канцерогенным действием. Так, например, смеси с комплексными связующими типа ТЛС – СКТ-10 технологичны, но не в полной мере отвечают требованиям современного литейного производства. Скорость их теплового отверждения низкая, что неизбежно увеличивает энергоёмкость процесса и загрязняет окружающую среду токсичными газовыделениями.
В литературе имеется большое количество работ, посвящённых проблемам повышения связующей способности лигносульфонатов в условиях конвективной сушки. Однако предложенные модификаторы среди индивидуальных химических веществ незначительно повышают связующие свойства ТЛС, приводят к их удорожанию.
Целью данного исследования был поиск эффективного модификатора и разработка нового малотоксичного связующего материала в виде модифицированных ТЛС, позволяющих практически полностью заменить токсичные крепители типа СКТ-10 в составах стержневых смесей.
При выборе модификатора ориентировались, прежде всего, на недефицитные материалы среди кубовых остатков органического синтеза (КООС) различных химических производств, позволяющие создать ресурсосберегающую технологию. Большое значение при этом уделялось реакционной способности модификатора и его экологическим показателям. При этом круг исследуемых объектов ограничивался тем, что КООС должны содержать вещества, способные
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
образовывать поперечные химические связи между макромолекулами лигносульфонатов в условиях нагрева стержневых смесей. Такие вещества, в частности, содержатся в кубовых остатках производств 1,4-бутандиола, -бутиролактона, поливинилпирролидона, метилпирролидона, моноэтаноламина, -бутиролактона, которые были использованы при изготовлении нового модификатора, представляющего собой смесь КООС. Для приготовления модификатора смесь кубовых растворялась в воде в объёмном соотношении КООО:Н2О = 6:1. Модифицирование ТЛС проводили путём их смешивания с модификатором КООС в течение 35 мин до достижения жидкотекучего состояния. Установлено, что модификатор резко снижает вязкость ТЛС и способствует стабилизации коллоидной системы (золя), что повышает кроющие свойства связующего.Представляло интерес выяснить изменение смачивающих свойств модифицированных ТЛС. С этой целью на стеклянной пластинке, моделирующей поверхность зёрен кварца, были измерены краевые углы смачивания, характеризующие меру смачивания поверхности. Как показали исследования, чистые растворы модификатора проявляют хорошие смачивающие свойства (соs = 0,9924), что находится на уровне смачивающих свойств воды (соs = 0,995). Растворы лигносульфонатов имеют соs = 0,777, что значительно ниже смачивающих свойств модификатора КООС. Введение в технические лигносульфонаты даже небольших количеств КООС (~ 10 %) приводит к изменению краевых углов, значение которых становится порядка соs = 0,9659. Таким образом, введение модификатора значительно улучшает смачивающие свойства лигносульфонатов, что приводит к более равномерному распределению модифицированных ТЛС на поверхности зёрен кварцевого песка и способствует повышению прочностных характеристик.
Для проведения лабораторных исследований по разработке составов стержневых смесей с ускоренным циклом отверждения готовили стержневые смеси из Люберецкого песка, формовочной глины, технических лигносульфонатов, модифицированных различным количеством КООС. В качестве технологической добавки использовали крепитель СКТ-10. Для сравнения аналогично готовили и заводскую стержневую смесь, применяемую на АМО ЗИЛе и состоящую из 95,5 % кварцевого песка, 0,5 % формовочной глины, 1,6 % ТЛС и 2,4 % СКТ-10.
Стержневые смеси готовили следующим образом: вначале в лабораторные бегуны LM– дозировали кварцевый песок и формовочную глину и перемешивали 23 минуты. В смесь заливали модифицированные ТЛС и продолжали перемешивание до вязко-пластичного состояния.
Затем в стержневую смесь перед выпуском из бегунов вводили технологическую добавку – крепитель СКТ-10. Уплотнение образцов-восьмерок и цилиндрических образцов производилось тремя ударами лабораторного копра LU. Образцы-восьмёрки подвергали температурной обраТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
ботке при 180 °С в сушильном лабораторном электрошкафу СНОЛ-3,5.3,5.3,5/3-М2 в течение 10 и 20 минут. Для исследований физико-механических и технологических свойств смесей и стержней использовали лабораторное оборудование фирмы «Центрозап». Текучесть смеси оценивали по стандартной методике, а гигроскопичность определяли по увеличению веса образца, выдержанного в эксикаторе над 20 %-м раствором Н2SO4 в воде.Составы экспериментальных (№ 16) и заводской (№ 7) смесей приведены в табл. 1. Физико-механические и технологические свойства сравниваемых смесей приведены в табл. 2.
Составы стержневых смесей на основе модифицированных ТЛС Наименование Содержание ингредиентов, %, в смесях Крепитель литейный СКТ- Из представленных данных следует, что введение технологической добавки – крепителя СКТ-10 с органическим растворителем влияет на кинетику отверждения смеси. Установлено, что максимальные прочностные характеристики стержней наблюдаются при соотношении ТЛС:СКТ-10 = 4:0,5.
Сравнительные испытания экспериментальных стержневых смесей (№ 16) и существующей (№ 7) показали (табл. 2), что прочностные характеристики разработанных смесей в разы выше тех же параметров применяемой в настоящее время смеси. Так, например, при времени отверждения 10 мин прочность стержней из активированной смеси выше в 5,5 раз, а при 20минутном отверждении – в 4,4 раза. По нашему мнению, упрочнение структуры лигносульфонатов достигается путём их сшивания с использованием функциональных групп молекул входящих в состав модификатора.
Следует отметить, что наряду с увеличением скорости отверждения введение модификатора КООС в ТЛС влечёт за собой появление прилипаемости смесей, что связано с увеличением полярности макромолекул лигносульфонатов. Для снижения адгезии модифицированных лигносульфонатов к оснастке в смесь дополнительно был введён крепитель СКТ-10, представляюТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
щий собой раствор госсиполовой смолы в уайт-спирите и применяющийся в литейных цехах АМО ЗИЛ в качестве связующего. Как показали эксперименты, введение даже небольшого количества, порядка 0,5 % крепителя СКТ-10 в смесь, устраняется её прилипаемость, что по всей вероятности вызвано переориентацией углеводородных и полярных групп. Наряду с этим, крепитель СКТ-10 в сочетании с модифицированным лигносульфонатным связующем, в определённых соотношениях позволяет снизить температуру сушки до 180 оС при времени отверждения 1020 минут. Прочностные характеристики при этом остаются на достаточно высоком уровне (табл. 2.).Физико-механические и технологические свойства сравниваемых смесей Свойства смесей Прочность на сжатие, кПа, сырой смеси Прочность на разрыв, МПа, образцов, отверждённых при температуре 180 оС в течение:
Газопроницаемость сырой смеси, ед.
Промышленные испытания разработанных смесей, проведённые в литейном цехе стального и цветного литья (ЛЦСиЦЛ) ЗИЛа, показали, что использование в стержневых составов на основе модифицированных лигносульфонатов в сочетании с крепителем СКТ позволяет снизить температуру сушки с 240 оС до 180 оС, а время сушки сократить примерно в 2 раза. Анализ отливок показал пригодность данного состава для использования в литейных цехах.
Список используемой литературы 1. Сапотницкий С.А. Использование сульфитных щелоков. М., 1981.
2. Овчинников В.В. Об экологических проблемах в литейном производстве // Литейное производство. 1990. № 2. С 5.
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
УДК 678.01:541. Опыт использования порошкообразного связующего МЛС в производстве литейных The comparative investigations of connecting properties of powdery modified and unmodified technical lignosulphonates have been carried out. It has been found out that the processes of polymerization of the powdery modified lignosulphonates proceed deeper than in their solutions.Дальнейшее совершенствование технологии производства литейных стержней связано с использованием сухих связующих материалов, диспергированием которых в воде можно получать жидкие крепители, пригодные для изготовления стержневых смесей. Как было показано ранее [1] использование связующего МЛС, представляющего собой жидкие технические лигносульфонаты (ТЛС), модифицированные кубовыми остатками органического синтеза (КООС), по сравнению с широко известными крепителями типа КО, СКТ и УСК [2] позволяет сократить сушку стержней в 34 раза [3].
Цель настоящей работы – показать возможность использования порошкообразного связующего МЛС в различных технологиях изготовления литейных стержней.
Исходное жидкое связующее МЛС, изготовленное на Камском ЦБК по разработанной нами технологии [4] имело объёмное соотношение ТЛС к КООС = 7:1(табл.1).
Стандартные образцы на основе исходного МЛС, отвержденные при 250 оС в течение 5 мин имели прочность на разрыв 1,27–1,53 МПа.
Для получения порошкообразного связующего, жидкий МЛС подавался под давлением в форсунки и распылялся в сушильной башне (температура входа 250260 °С, температура выхоТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
да 105115 °С). Для сравнения свойств сухих МЛС и ТЛС, был тем же способом изготовлен немодифицированный порошок ТЛС.Рабочие растворы связующих двух типов получали путём растворения порошкообразных МЛС и ТЛС в горячей воде (90100 °С) при тщательном перемешивании. Растворы (1 и 3) соответствовали требованиям, предъявляемым к связующим для процесса изготовления стержней с конвективной сушкой [3] (вязкость по ВЗ-4 более 150 с), а другие растворы (2 и 4) – для процесса изготовления стержней в нагреваемой оснастке ( = 2560 с). Физико-химические свойства этих связующих приведены в табл. 2.
Вязкость условная, с:
Из представленных в табл. 2 данных можно сделать вывод, что модифицирование ТЛС способствует снижению вязкости и плотности связующего, а при сравнимой вязкости растворов МЛС и ТЛС связующие первого типа имеют большую долю сухих веществ.
Связующие 14 (5 мас. %) и кварцевый песок марки 1К02А были использованы для приготовления стержневых смесей в лабораторных бегунах LM-1. Из полученных смесей с помощью лабораторного копра LU изготавливались стандартные образцы, сушка которых осуществлялась при 250 °С в течение 5,10, 20, 30 и 60 мин (СНОЛ3,5.3,5.3,5/3М2). Исследования механических свойств стержней проводилось на установках LRuE и LS-1.
Данные зависимости прочности на разрыв изготовленных стержней от времени их термообработки показывают, что прочность на разрыв образцов на основе МЛС в 510 раз выше прочности аналогичных образцов на основе немодифицированных ТЛС, т. е. связующие свойства растворов порошка МЛС сохраняются на том же уровне, что и у исходного жидкого МЛС.
Дериватографические исследования КООС, ТЛС и МЛС проводили с использованием дериватографа фирмы Paulik-Paulik при скорости нагрева 10 о/мин от 20 до 1000 °С. С ростом температуры модификатор КООС на начальных этапах теряет легколетучие фракции (20340 оС), которые в температурном интервале 350460 °С окисляются, а затем в условиях недостатка кислорода его тяжелые фракции полимеризуются и осмоляются.
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
Сухой ТЛС при нагревании от 50 до 260 °С теряет химически слабосвязанную воду, после чего в интервале 260380 °С и 490520 °С протекают процессы окисления и поликонденсации. Окончательное окисление ТЛС заканчивается примерно при 850 °С и протекает в два этапа (максимумы при 710 и 820 °С).На кривых ДТА порошкообразного связующего МЛС наблюдаются те же эффекты, что и для исходного сухого ТЛС (потеря воды и низкокипящих органических веществ при температуре 20220 °С), однако эффекты, отвечающие максимумам при 350 и 500 °С соответствуют процессам окисления, полимеризации и осмоления уже нового высокомолекулярного вещества – продукта сополимеризации ТЛС и компонентов КООС. Обращает на себя внимание, что сухой МЛС до конца не окисляется вплоть до 900 °С (сухой остаток после термолиза 20 мас. %).
Водный раствор МЛС отличается от исходного порошка МЛС тем, что за счёт воды протекает частичный гидролиз продукта сополимеризации. Это приводит к тому, что основные цепи части макромолекул лигносульфонатов разрываются и средняя степень их полимеризации уменьшается. Об указанных изменениях свидетельствует размытость пика ДТА при 200350 °С. Смещение последнего экзотермического пика в сторону более высоких температур (650680 °С) обусловлено процессами сшивания макромолекул с образованием сетчатой структуры полимера и последующим его окислением.
Использование порошкообразного связующего МЛС на ряде машиностроительных заводов показало [5], что качество стержней, изготовленных из смесей на его основе удовлетворяет требованиям заводских технологий. Замена ранее использовавшихся комплексных связующих типа ТЛС – КО [2] на МЛС позволило уменьшить содержание токсичных веществ, образующихся на стадии отверждения стержней: формальдегида в 90260 раз, фурфурола в 1213 раз;
на стадии термодеструкции: оксида углерода (II) в 49 раз, предельных углеводородов в 56 раз.
Список используемой литературы 1. Пат. RU 1081888 РФ. МКИ В 22 С 1/20. Связующее теплового отверждения для изготовления форм и стержней. 1981.
2. Пашенцева Н.Н., Друян Р.Л., Барышевский Л.М. и др. // Литейное производство. 1972.
№ 5. С 39.
3. Евстифеев Е.Н. Модифицированные технические лигносульфонаты для изготовления стержней конвективной сушкой. Ростов н/Д., 2003.
4. ТУ 13-15-01 – 86. Материал литейный связующий. 1988.
5. Евстифеев Е.Н. Малотоксичные смеси для изготовления стержней в нагреваемой и холодной оснастке. Ростов н/Д., 2005.
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
УДК 621.743. Разработка малотоксичных стержневых смесей для изготовления стержней в нагреваемой The acid modified technical lignosulphonates have been worked out for the production of cores in the heated equipment.The acid modified technical lignosulphonates permit to reduce the content in the composition of the mixture of toxic fenolic alcohols three-four times as much.
При изготовлении стержней в нагреваемой оснастке используются различные синтетические смолы и их комбинации. Наиболее известными среди них являются фенолоспирты (ФС), состоящие из продуктов конденсации фенола и формальдегида. При их отверждении в рабочую зону и окружающую среду выделяется значительное количество фенола, формальдегида и других токсичных соединений, создающих неблагоприятные санитарно-гигиенические условия труда.
Одним из перспективных технологических направлений, уменьшающих выделение токсичных веществ в атмосферу, является замена фенолоспиртов на малотоксичные модифицированные технические лигносульфонаты (связующее МЛС). Новое связующее представляет собой водный раствор натриевых солей лигносульфоновых кислот, содержащих модификатор в виде химически активных компонентов кубовых остатков органического синтеза (КООС) [1, 2].
Простое сочетание МЛС с ФС даёт возможность сократить содержание фенолоспиртов в смесях только на 4045 мас. % [3] и не позволяет решить проблему существенного улучшения санитарно-гигиенических условий труда.
Целью настоящей работы является разработка принципиально новых связующих композиций на основе МЛС, в которых количество токсичных фенолоспиртов в несколько раз снижено по сравнению с известными связующими. Сложность разработки таких композиций заключалась в том, что до проведения нашего исследования отсутствовали данные об условиях сополимеризации МЛС и ФС. В связи с этим одной из задач данной работы был поиск катализаторов полимеризации компонентов связующей системы МЛС – ФС. Исследования показали, что среди индивидуальных кислот наибольший эффект даёт разбавленная серная кислота. Однако
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
её применение в условиях литейного производства нежелательно по условиям техники безопасности. В связи с этим, а также с целью снижения стоимости связующей композиции, в качестве катализатора был выбран кислый отход производства монохлоруксусной кислоты (КО МХУК) с плотностью при температуре 20 °С 1,101,22 г/см3. Материал, образующийся в результате обработки МЛС таким отходом, представляет собой принципиально новый вид связующего кислые модифицированные технические лигносульфонаты (КМЛС), способные эффективно сополимеризоваться с небольшой добавкой фенолоспиртов.В исследованиях использовали ТЛС с Na-основанием Камского ЦБК вязкостью по ВЗ- 852 с и плотностью 1,236 г/см3. Каждый состав КМЛС был приготовлен смешиванием МЛС и КО МХУК до получения однородной подвижной жидкости с вязкостью по ВЗ-4 2050 с.
Стержневые смеси готовили в лабораторных бегунах модели LM-1 из кварцевого песка марки 1К02А Верхне-Днепровского карьера и связующего КМЛС с массовой долей 5 %. Связующее перемешивали с кварцевым песком 4 мин.
Для испытаний образцы в форме восьмёрок и цилиндров изготовляли из смеси путём её уплотнения тремя ударами лабораторного копра LU. Сушку стандартных образцов осуществляли при температуре 250+10 °С в сушильном лабораторном шкафу СНОЛ3,5.3,5.3,5/3М2. Для определения прочности стержней в горячем состоянии стандартный образец-восьмерку нагревали в течение 5 мин при температуре 250 °С, затем быстро переносили (в течение 1015 с) в зажимное устройство разрывной машины LRu-1. Исследование физико-механических свойств стержней проводилось на лабораторном оборудовании фирмы “Центрозап”.
Для определения оптимального соотношения между модификатором КООС и катализатором КО МХУК изучены прочностные характеристики смесей на основе связующих состава:
80 мас. % ТЛС + 20 мас. % (КООС КО МХУК). С увеличением в комплексной добавке (КООС КО МХУК) содержания катализатора КО МХУК прочность стержней в горячем состоянии возрастает в 810 раз, что очень важно для изготовления стержней в нагреваемой оснастке.
Необходимо отметить, что КО МХУК в отличие от модификатора КООС не обладает пластифицирующим действием на технические лигносульфонаты, однако повышает их связующую способность. Это происходит за счёт лигносульфоновой кислоты, образующейся при взаимодействии ТЛС с Н2SO4, присутствующей в КО МХУК:
Лигносульфоновая кислота в условиях тепловой обработки легко поликонденсируется, что и сказывается на повышении прочности стержней.
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
Полученные данные показывают, что оптимальное содержание в комплексной добавке (КООС КО МХУК) катализатора составляет 7080 мас. %. В связи с этим для оптимизации состава предлагаемого связующего КМЛС по соотношению ТЛС:добавка изучены изотермы прочности образцов, изготовленных из смесей на основе связующих с постоянным отношеним компонентов в комплексной добавке (30 % КООС + 70% КО МХУК).Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что оптимальным является состав связующей композиции КМЛС из 80 мас. % ТЛС и 20 мас. % комплексной добавки (30 % КООС +70 % КО МХУК), или в пересчете на отдельные компоненты: ТЛС 80 мас. %, КООС 6 мас. %, КО МХУК 14 мас. %. Эту связующую композицию в виде кислых модифицированных лигносульфонатов (КМЛС) можно рекомендовать для изготовления стержней простой конфигурации, для которых прочность на разрыв 1,51,6 МПа вполне достаточна [4].
Для дальнейшего повышения прочности стержней изучено влияние добавок фенолоспиртов на свойства связующего КМЛС, которое имеет кислую среду (рН 1,111,47) и поэтому одновременно является катализатором теплового отверждения ФС.
На рисунке представлены результаты исследований стержневых смесей, содержащих 5 мас. % связующей композиции КМЛС – ФС. Перед вводом в бегуны КМЛС предварительно совмещали с фенолоспиртами.
Рис. Кривые прочности на разрыв стандартных стержней из смесей на основе связующей композиции КМЛС – ФС и раствора мочевины в фенолоспиртах Как видно из рисунка, «горячая» прочность 5-минутных образцов на основе КМЛС – ФС повысилась с 0,5 МПа до 0,88 МПа при содержании ФС 10 мас. % (пунктирная кривая-5гор).
Новая связующая композиция обеспечивает стержням «горячую» прочность более чем в 1,5 раза
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
выше, чем такая распространённая связующая композиция, как 20 %-й раствор мочевины в фенолоспиртах (5гор = 0,58 МПа) [5].Небольшая добавка ФС (1015 мас. %) (рисунок) в составе связующей композиции КМЛС – ФС резко повышает прочность образцов на разрыв: 5-минутных с 1,62 до 2,102, МПа; 10-минутных с 1,5 до 2,302,74 МПа. Такое повышение прочности стержней объясняется ростом степени полимеризации веществ, образующих полимерный каркас стержней. Кроме поликонденсации лигносульфонатов в стержневой системе КМЛС – ФС возможно образование небольшого количества фенолоформальдегидных смол. В условиях кислой среды КМЛС конденсация метилольных групп олигомеров фенолоспиртов протекает с образованием резита сетчатой структуры:
ОН ОН ОН
Таким образом, из известных составов стержневых смесей, содержащих фенолоспирты, разработанная рецептура содержит наименьшее количество фенолоспиртов (0,500,75 мас. % от кварцевого песка). Связующая композиция была внедрена на Чебоксарском агрегатном заводе [3], что позволило не только значительно повысить горячую и холодную прочность стержней, но и улучшить санитарно-гигиенические условия труда на стержневых автоматах.Список используемой литературы 1. ТУ 13-0281036-2191. Материал литейный связующий. Краснокамск, 1992.
2. ТУ 6-00-1014820-189. Кубовые остатки органического синтеза. Новочеркасск, 1989.
3. Евстифеев Е.Н. Малотоксичные смеси для изготовления стержней в нагреваемой и холодной оснастке. Ростов н/Д., 2005.
4. А.С. 1363613 СССР. 1986. МКИ В 22 С 1/20. Связующее для изготовления литейных форм и стержней теплового отверждения.
5. Бобряков Г.М., Клебанов Н.С. // Технология автомобилестроения. 1974. № 3. С 9.
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
УДК 621.914. Ротационный инструмент ударно-импульсного воздействия для упрочнения A kinematic analysis of mechanical processing, including rotary (rotating) the main motion. The analysis of existing methods and techniques of surface plastic deformation, including the main rotary movement of the tool. The design tool for rotating the shock treatment.Различные методы ППД прочно заняли своё место в области инженерии поверхности деталей машин.
Довольно широко известен метод центробежной обработки (ЦО) шариками. На основе кинематического анализа метода был разработан инструмент, который позволяет значительно расширить область решаемых им прикладных задач, например, создавать частично регулярный (ЧРМР) и полностью регулярный микрорельеф (РМР) с различной степенью анизотропии на цилиндрических поверхностях деталей машин и приборов. Ключевым моментом при разработке инструмента стал синтез кинематических схем механической обработки с уже существующими способами ППД.
Анализ схем абразивной обработки и инструментов для их реализации [1] позволил модифицировать способ центробежной обработки и создать вращающийся (ротационный) инструмент, имитирующий его осцилляцию вдоль оси вращения детали за счет определенного расположения деформирующих элементов (ДЭ). Отличительной особенностью разработанного инструмента является то, что центробежная сила, посредством которой в базовой технологии и происходило формообразование поверхности заготовки, в этом случае перестает быть определяющей. Разработанный инструмент был назван периферийным по аналогии с круглым (периферийным) шлифованием. В инструменте для торцевого упрочнения сила инерции при формообразовании не используется вообще.
Лунки, образуемые инструментом для ротационной обработки ППД имеют каплевидную форму в результате ударного импульсного воздействия, сочетаемого с процессом скольжения – качения ДЭ по поверхности заготовки. Сочетание кинематических движений разработанного
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
инструмента создает на поверхности детали топографию, подобную той, что образуется при круглом шлифовании абразивным инструментом с некруговой рабочей поверхностью.Методы, реализующие технологию ротационной ударной обработки, названы следующим образом – периферийная ротационная ударная обработка (ПРУО) и торцевая ротационная ударная обработка (ТРУО) соответственно, или ротационная ударная обработка (РУО) периферийным и торцевым инструментами.
Единство технологии РУО, реализуемой периферийным и торцевым инструментами, состоит в схожести физики процесса. Периферийный и торцевой инструменты (рис.) пластически деформируют поверхности обрабатываемой детали, формируя наклёпанный слой единичными ударами ДЭ. Деформирующее воздействие имеет дискретный характер, и может выходить на ударно-импульсный режим при высокой скорости обработки, или же стремиться к режиму дискретного обкатывания при малой скорости обработки. Каждый инструмент способен наносить контролируемое число ударов в единицу в времени на единицу площади, создавая, таким образом, требуемую топографию поверхности. На цилиндрических наружных поверхностях возможно создание как частично, так и полностью регулярных микрорельефов.
Рис. Инструменты для ротационной ударной обработки цилиндрических поверхностей:
периферийный инструмент (слева) [2], торцевой инструмент некругового профиля [3] Экспериментальную РУО инструментом с круговым профилем расположения деформирующих элементов проводили на станке модели 1Л62, оборудованном устройством для реализации РУО. Использовались образцы диаметром 50 мм из сталей 45, 20. Поверхность под обработку получали точением с шероховатостью Ra = 6,3 мкм.. Количество ДЭ в инструменте варьировали в пределах Z = 1…16 шт. Статическое усилие поджатия ДЭ в гильзах регулировалось в
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
диапазоне Рст = 20…60 Н. Полученная в результате обработки поверхность имела шероховатость до Ra = 0,08 мкм, в зависимости от параметров настройки оборудования. Глубина упрочнения составила 0,3…1,2 мм, в зависимости от параметров режима обработки. При этом степень упрочнения стали 20 была выше и составила 46 % относительно 21 % у стали 45 (данные сходны для ПРУО и ТРУО). Формирование топографии, регулярного микрорельефа поверхности РУО происходит на уровне деформации микронеровностей, однако деформации подвергаются и более глубокие слои поверхности детали. Особенно интенсивно микронеровности деформируются при малых натягах – до CN = 0,15 … 0,25 мм. При больших натягах интенсивность деформации значительно снижается. Благодаря конструкции инструментов, ротационная ударная обработка позволяет создавать также и гетерогенно-упрочнённую поверхность посредством контроля ударного усилия дифференцированно для каждого ДЭ.Торцевую ротационную ударную обработку, наряду с традиционным упрочнением, возможно использовать при формировании частично и полностью регулярного микрорельефа на цилиндрических и конических поверхностях деталей различной протяжённости и диаметра. Регулярная и упрочнённая поверхность детали при этом характеризуется значительным повышением ряда эксплуатационных характеристик. Достоверно известно, что поверхность, регулярно упрочнённая РУО, отличается повышенной износостойкостью. Увеличивается усталостная прочность и другие эксплуатационные характеристики в связи с повышенными физикомеханическими и геометрическими параметрами поверхностного слоя (меньшая высота микронеровностей поверхности, масляные карманы для эффективного удержания смазки). Поверхность детали также отличается повышенной контактной жесткостью из-за большой величины радиусов вершин и впадин неровностей, которые на порядок больше получаемых при финишных операциях резания. Этот факт позволяет говорить о снижении периода приработки пары трения, а также уменьшении концентраторов напряжений на поверхности детали, чего нельзя добиться тонким точением, и даже суперфинишированием.
Авторами разработано несколько разновидностей торцевых инструментов для реализации ТРУО. Базовая конструкция подразумевает расположение деформирующих элементов равномерно по окружности заданного диаметра, в связи с чем, он относится к одногрупповому - с круговым профилем расположения ДЭ. Другим вариантом является инструмент с некруговым профилем расположения ДЭ (с некруговой рабочей поверхностью), в котором деформирующие элементы делятся на группы соответственно радиусу RЭ удалённости от оси вращения инструмента.
Каждый ДЭ передаёт поверхности детали ударные импульсы определённой величины.
Этот импульс характеризуется кинетической энергией ДЭ (шарика) отдаваемой заготовке через зону контакта. Чем выше ранг группы ДЭ, тем более высокую степень деформации
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
претерпевает материал детали (ДЭ первой группы оказывают большее воздействие, чем ДЭ второй) при условии равной силы статического поджатия ДЭ в силовых блоках. Чем больше величина радиуса, на котором располагается ДЭ, тем больше и площадь пластического отпечатка. Главная ось отпечатка показывает направление результирующего вектора скорости, а значит и ориентацию отпечатка относительно оси вращения детали.ТРУО может производиться как одной стороной инструмента, так и двумя, т. е. односторонняя и двухсторонняя соответственно. При двухсторонней обработке осуществляется схема встречного и попутного деформирования. Сила ударного воздействия деформирующих элементов при встречной схеме больше из-за величины результирующего вектора скорости, который является векторной суммой скорости вращения инструмента и скорости вращения детали. Следы попутного деформирования отличаются меньшей вытянутостью, т. е. форма пластического отпечатка в этом случае более округлая. Сочетание пластических отпечатков на поверхности детали образует характерную для данного способа обработки топографию, которая является суперпозицией ударно-импульсных воздействий инструмента на её поверхность Исследования эксплуатационных характеристик деталей цилиндрической формы в зависимости от параметров обработки показывает высокую эффективность технологии ротационной обработки деталей. Регулярный микрорельеф, формируемый ТРУО позволяет добиться равномерности износа, что очень важно для прогнозирования изменения параметров качества ответственных поверхностей прецизионных деталей машин. Повышенная маслоёмкость таких поверхностей имеет особое значение при работе в условиях подвижного контакта при наличии смазки.
Список используемой литературы 1. Козлов А.М., Повышение качества и точности цилиндрических деталей при шлифовании. Монография. - Липецк: ЛГТУ, 2004. – 181 с.
2. Устройство для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием.
Патент РФ №100011 на полезную модель / Авторы Кукетков С.А, Козлов А.М. // Заявка 2010131750/02, 28.07.2010. Опубл.10.12.2010. Бюл.№34.
3. Торцевой инструмент ударного воздействия для динамического упрочнения цилиндрических поверхностей. Патент РФ на полезную модель № 111473. / Авторы Кукетков С.А, Козлов А.М., Кукетков И.А. // Заявка 2011124374/02, 16.06.2011. Опубл. 20.12.2011. Бюл.№35.
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
УДК 621. Триботехнические возможности современных присадок и добавок к моторным маслам Physic-chemical and tribological properties of lubricants nanomaterials of current market autochemistry and nanopowders Zn, Cu, Ag, Pb, Sn and Cu-Ag alloy are researched. It was found that the on friction surface formed metal film of soft metal, which leads to increased possibilities tribological tribounit.В настоящее время на рынке автохимии существует большое количество марок присадок к моторным маслам как российских, так и зарубежных производителей, выбор между которыми достаточно субъективен, поскольку потребителю часто не доступна объективная информация о качестве продукции, а само качество далеко не всегда соответствуют заявляемым рекламным характеристикам.
В связи с этим, были проведены физико–химические и триботехнические испытания смазочных наноматериалов современного рынка автохимии (METALYZ–6, РЕСУРС, РИМЕТ и Liqui Moly) и полученных нанопорошков Zn, Cu, Ag, Pb, Sn и Cu+Ag–сплава в контролируемых условиях с использование звукоэлектрохимической технологии.
Впервые в сопоставимых условиях проведены сравнительные исследования гранулометрического состава и триботехнических свойств металлоплакирующих смазочных масел с добавками нанопорошков Cu, Zn, Ag, Sn, Pb, а также их синергетических композиций: Cu + Ag + Sn и Cu + Ag + Pb + Sn. Установлено, что независимо от природы металла и его дисперсности в исследуемом диапазоне размеров частиц, добавки нанопорошков, как чистых металлов, так и их смесей улучшают триботехнические показатели основы (вазелинового масла) в парах трения сталь – сталь.
Обнаружено, что при трении стали в исследуемых металлоплакирующих смазочных маслах независимо от геометрии фрикционного контакта: точечный (ШХ–15 по ШХ–15) или контакт площадей (Р6К5 по 30ХГСА) – на поверхности трения образуется металлическая пленка мягкого металла, что приводит к снижению коэффициента трения, увеличению противозадирных свойств и уменьшению износа пары трения.
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
Касаясь вопроса можно ли и нужно ли применять имеющиеся на рынке «нанодобавки»для повышения ресурса или безразборного восстановления изношенных двигателей внутреннего сгорания, следует однозначно констатировать, что теоретически и экспериментально обоснованных и независимых результатов объективной экспертизы бесспорной эффективности такого рода продуктов до сих пор, к сожалению, не имеется.
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
УДК 541. Технология синтеза калибровочных растворов на основе золя серебра In the research a Citrate method of silver nanoparticles preparation is developed. It is featured by ability to regulate the particles diameter range by varying concentrations and temperature dynamics. This ability is used to produce high quality calibration fluids for current devices for nanotechnology.Калибровка оборудования для нанотехнологий требует высококачественных стандартных образцов, в частности, эталонных растворов. Производство подобных растворов в России ограничено, а поставки импортных препаратов не покрывают потребности отечественных наноцентров и экономически не всегда обоснованы. Проблема особо актуальна для стандартных препаратов наносеребра с размерами частиц менее 20 нм, число которых на мировом рынке исчисляется единицами, а стабильность и воспроизводимость размеров оставляет желать лучшего. Актуальность повышается также в связи с разработкой новых «химических» носителей информации, где НЧ серебра могут служить носителем фотохромных молекул, например, спиропиранов – известных фотохромных переключателей.
Целью выполненных исследований ставилась отработка методики синтеза, подбор и оптимизация условий для получения стабильных коллоидных растворов с узким распределением НЧ серебра по размеру в диапазоне от 1 до 100 нм. Оригинальность подхода состоит в использовании цитратного метода для синтеза золя серебра.
Впервые цитратный метод Туркевич с коллегами применил в 1951 г. для получения наночастиц (НЧ) золота [1]. Суть метода в восстановлении золотохлороводородной кислоты в водном растворе цитратом натрия при кипячении. По данным электронной микроскопии полученные НЧ имели сферическую форму, узкое распределение по размерам и средний диаметр 18.5-21.5 нм. В дальнейшем П.С. Ли и Д. Мейзель применили метод Туркевича для синтеза НЧ серебра [2]. В отличие от НЧ золота частицы серебра отличались по форме, а распределение по размерам было неравномерным и широким (60-200 нм) [3].
Обычно растворителем в цитратном методе является вода [4], реже водно-органические среды [5]. Лимонная кислота и ее анион (цитрат-анион) в методе Туркевича выступают не тольТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
ко в роли восстановителя, но также стабилизирующим агентом, что осложняет экспериментальный подбор оптимальных концентраций реагентов (их изменение влияет одновременно и на скорость восстановления, и на скорость процесса формирования коллоидных частиц [3]).Поэтому для получения золей серебра с узким и воспроизводимым распределением НЧ по размерам требуются дополнительные исследования.
В водных растворах протекание реакции получения НЧ серебра из нитрата серебра и цитрата натрия по методу Туркевича осуществляется по схеме:
Ag+ + NO3- + 3Na+ + C3H5O(COO)33- (C3H5O(COO)33-)r/ Ag0n + NaNO3.
Формирование коллоидных частиц серебра и их агломератов показано на рисунке 1.
Поскольку скорость химической реакции зависит в общем случае от концентраций реагирующих веществ и температуры, размер получающихся в методе Туркевича НЧ зависит от величин и соотношения концентраций реагентов, температурных условий синтеза, интенсивности и времени перемешивания, и др.
Рис.1. Принципиальная схема эволюции ионов Ag+ в кластеры Agm и наночастицы Agn Оптимизация условий химической реакции представляет собой сложную задачу, решение которой методами математического планирования эксперимента проблематично. Поэтому на практике учитывают влияние только главных факторов, определяющих кинетику процесса.
Параметрами оптимизации выбраны распределение НЧ в получаемых продуктах по размерам и массе. При этом предполагалось, что распределение по размерам и массе описывается симметричными функциями Лоренца или Гаусса, имеет минимально возможную ширину и лежит в нанодиапазоне (частицы серебра должны иметь средний диаметр менее 100 нм).
Экспериментальные исследования с различными концентрациями и соотношениями реагентов, скоростями и продолжительностью нагрева смеси, интенсивностями перемешивания и др. показали, что, изменяя условия проведения реакции, можно регулировать размеры образующихся НЧ серебра в широких пределах.
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
Рис. 2, а. Результаты седиментационного анализа образца с соотношением концентраций [AgNO3]/[Cit]=1/4. На графике представлено распределение НЧ по массе в зависимости от размеров. Большинство частиц имеют размер примерно 28 нм (пик) Рис. 2, б. Результаты спектрофотометрии образца с соотношением концентраций Отработанная методика заключалась в том, что 25 мл раствора AgNO3 и 100 мл раствора Na3C6H5O7 нагревались до нужной температуры. Горячие растворы смешивались прикапыванием нитрата серебра к лимоннокислому натрию при непрерывном перемешивании, с последующим кипячением в течение 15 минут и охлаждением. В результате получался золь для последующего анализа. По ходу реакции раствор преобретал светло-желтый цвет, затем цвет менялся от оливкового до грязно-серого или коричневого, а при высоких концентрациях растворов наблюдалось интенсивное оседание частиц на стеклянной поверхности стакана, а жидкость становилась прозрачной. При соотношении компонентов [AgNO3]/[ Cit]=1/4 раствор начинал желТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
теть после 10 минут нагревания. «Серебряного зеркала» при дальнейшем нагревании почти не наблюдалось.Рис 3. Зависимость максимума полосы поглощения от диаметра частиц серебра Результаты седиментационного анализа полученного образца (рис. 2, а) свидетельствуют о том, что средний размер НЧ уменьшается на 25 % с 40 до 30 нм при уменьшении концентраций исходных растворов на порядок. Результаты электронной спектроскопии подтверждают результаты седиментационного анализа (рис. 2, б), поглощение с max = 420 нм соответствует НЧ серебра с размерами около 30 нм (см. рис 3).
Рис. 4. Результаты седиментационного образца с соотношением концентраций [AgNO3]/[Cit]=1/5. Видно, что частицы распределены равномерно в диапазоне от 1 до 100 нм.
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
Удачным также оказался опыт с соотношением концентраций [AgNO3]/[ Cit]=1/5 (равномерно распределенные частицы в диапазоне от 1 до 90 нм с пиком на 45 нм, рис. 4). Эксперименты показали, что при нагревании на водяной бане контролировать размеры частиц и характер дисперсности посредством изменения соотношения концентраций гораздо удобнее, чем при нагревании на электроплите.Главным результатом проведенной работы является разработка методики получения раствора НЧ серебра цитратным методом с равномерным распределением частиц диапазоне до 100-150 нм, что в дальнейшем позволит адаптировать данный метод для приготовления калибровочных растворов.
В заключение отметим, что себестоимость данного образца достаточно низкая (примерно 1 руб. за 75 мл), что обеспечивает его конкурентоспособность. Также НЧ, полученные методом синтеза в водно-органической среде, представляют интерес для исследования фотохромных свойств различных молекул.
Актуальным направлением предметных исследований видится выявление физикохимического механизма формирования получаемых наночастиц, определение соответствующих констант с целью выработки эффективных способов управления предложенным процессом.
Список используемой литературы 1. J. Turkevic, P.C. Stevenson, J. Hiller. Discuss. Faradey Soc., (11), 55 (1951).
2. P.C. Lee, D. Meisel, J. Phys. Chem., 86, 3391 (1982).
3. Ю.А. Крутяков, А.А. Кудринский, А.Ю. Оленин, Г.В. Лисичкин «Синтез и свойства НЧ серебра: достижения и перспективы», Хим. Фак МГУ, 2008.
4. R. Jin, Y. W. Cao, C. A. Mirkin, K. L. Kelly, G. S. Schatz, J. G. Zheng, Science, 2 94, 1901 (2001).
5. I. Pastoriza-Santos, Luis M. Liz-Marzan, Reduction of silver nanoparticles in DMF. Formation of monolayers and stable colloids/ Pure Appl. Chem. (2000). 72, 83–90. 6. Г.Б. Сергеев Нанохимия. М.: 2006 г.
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
УДК [533.7/9+541.124]:519. Базовая кинетика лазерных уровней и оптимальные параметры рабочей среды СО2лазера с оптической накачкой Using a simplified analytical description a new fashion of parametrical optimization for CO2-laser mixture is developed. It enabled to optimize composition without numerous computer experiments. Suggested simplified technique of optimization is nevertheless reliable enough.В работах [1, 2] выявлена возможность создать CO2-лазера с накачкой излучением черного тела. Вследствие низкой эффективности радиационной накачки газовой рабочей среды в полосе поглощения 4.3 мкм. КПД такого лазера не превышает 0.1%. Покрытие источника накачки селективно-излучающими материалами позволяет повысить КПД лазера в четыре раза [3]. Повысить КПД таких лазеров можно оптимизацией параметров рабочей смеси.
На основании выполненных исследований авторами предложены 1) достаточно подробная информационно-математическая модель (ИММ) лазерной среды и 2) способ выделения минимальной (каркасной) модели для вычисления инверсной населенности. В качестве базовой конструкции выбрана изображенная на рис. 1. Поперечный размер камеры с рабочей средой x равен 1 см, температура металлической пластины – источника накачки 1000 К. Генерация осуществляется на переходе CO2(0001) CO2(1000) (полоса 10.6 мкм), накачка – на переходе CO2(0000) CO2(0001); коэффициент усиления пропорционален величине инверсии N = NCO2(0001) – N CO2 (1000).
Кинетическая схема обмена энергетическими квантами объединяет элементарные процессы между уровнями СО2–N2–Не-смеси, показанными на рис. 2. Константы скоростей всех элементарных процессов приведены в [5]. Функция источника CO2(0001) определяется на основании закона сохранения энергии: составляется уравнение переноса излучения в селективно поглощающем газе применительно к геометрии установки (см. рис. 1).
Численное исследование радиационно-кинетической модели с номенклатурой процессов рис. 2 [5] свидетельствует о структурной устойчивости общей постановки: физическим объяснением этого факта служит близкое сходство кинетических подсистем, образованных в резульТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
тате снятия вырождения – за счет слабой связности движения электронов и ядер в молекуле углекислоты.Рис. 1. Конструкция CO2-лазера с накачкой излучением черного тела: 1 – лазерная смесь; 2 – источник накачивающего теплового излучения; 3 – часть рабочей камеры, прозрачная для ИКквантов накачки; 4 – охлаждаемая металлическая часть рабочей камеры; стрелками указано направление потока накачивающего излучения Рис. 2. Взаимное расположение квантовых уровней в лазерной смеси СО2–N2–Не Для аналитического исследования лазерной среды в работе [5] предложена эмпирическая упрощенная модель, в основе которой использовали следующие предположения: 1) кинетика накачки определяется в главном населенностями только двух уровней - основного 0000 и верхнего лазерного 0000; 2) прочие внутренние состояния СО2 подвержены быстрому взаимному колебательному обмену и взаимно термализованы; 3) столкновительные переходы между состояниями 0000 и 0001 возможны как напрямую – посредством обратимой реакции второго поТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
рядка, так и через промежуточные состояния – посредством обратимой реакции пятого порядка;4) радиационная накачка является необратимым процессом, а ее скорость IWP определяется эквивалентной шириной поглощения WP в 4.3 мкм полосе СО2 и спектральной интенсивностью источника I.
В данной работе строго получена эмпирическая формула для инверсной населенности:
для этого в реалистичном приближении аналитически решена система уравнений поуровневой кинетики. Результат её решения совпадает с полученным в работе [5] и имеет вид где c PCO2 и PN2+He – давление углекислого и уширяющего газа соответственно, Торр;
сW ~ 1 Торр – давление лазерной среды, ниже которого доминирующую роль в расселении уровня CO2(0001) играют соударения возбужденных частиц со стенками камеры.
На основании этой точной формулы можно определить оптимальные параметры рабочей смеси как решение классической оптимизационной задачи. Соответствующий результат хорошо согласуется с полученным в работе [5] методами стохастической оптимизации и выражается оптимальными значениями концентраций и температуры:
Инверсия в таких условиях составляет 8.1013 см-3: доля СО2 в состоянии 0001 близка к 1 %, что на 3 порядка превышает равновесное значение.
Таким образом, при помощи предложенной минимальной модели маломощного СО2лазера с накачкой тепловым излучением аналитически определены оптимальные физикохимические параметры рабочего тела. Результат совпал с данными численной оптимизации на основе детальной модели с погрешностью порядка 20 %.
Список используемой литературы 1. Бохан П.А. // Оптика и спектроскопия. 1969. Т. 26. № 5. С. 773-779.
2. Бохан П.А. // Оптика и спектроскопия. 1972. Т. 32. № 4. С. 826-827.
3. Колтун М.М. Селективные оптические поверхности преобразователей солнечной энергии. М., 1979.
4. Давлетшин Р.Ф., Яценко О.В. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Ест. науки. 1995. №. 4.
5. Ладоша Е.Н., Соболь Б.В., Яценко О.В. Исследование кинетикив рабочей среде маломощного СО2-лазера посредством компьютерного моделирования / В кн. Информационные технологии в интеграции науки, образования и производства. Ростов н/Д.: Изд-во ДГТУ, 2004.
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
УДК 621.9.06- Исследование и оценка статической и динамической жесткости The rigidity is one of the main properties of the mashine tool, defining its quality. Results of experemental research of static and dynamic rigidity in carrying system of 5-axes multi-purpose CNC mashine tool MC-300 are given in the report. Loading fixtures and measuring gages, used during pilot research of a static and dynamic rigidity, are described too. Curve lines «deformation – loading force» and curve lines of a response to force step excitation for linear axes X, Y, Z and angular axes C (from faceplate) are given.В настоящее время основными направлениями развития машиностроительного производства, обеспечивающими увеличение производительности соответствующего станочного оборудования при существенном повышении качества выпускаемой на нем продукции, являются:
- использование оборудованием с высокой степенью концентрации различных технологических операций на одном обрабатывающем центре с полной обработкой детали за один «установ» (основу такого оборудования составляют 5 координатные обрабатывающие центры);
- использование прецизионного технологического оборудованием микронного, субмикронного и нанометрического уровня точности (обрабатывающие центры класса точности П, А, С).
При этом, имеются в виду не многоцелевые станки с ЧПУ (сверлильно-фрезерной группы - сверление, фрезерование, растачивание и нарезание резьбы и токарной группы - все виды токарной обработки), а многозадачные комплексные многокоординатные станки с ЧПУ (complex multi-axis machines), позволяющие проводить с одной установки детали (изделия) все виды фрезерных, токарных, сверлильных, расточных, шлифовальных, хонинговальных и др.
работ. При этом на одном станке при одной установке заготовки совмещаются предварительные (черновые), получистовые и чистовые операции. Таким образом, один станок заменяет целый участок станков с ЧПУ. Эта концепция развития станкостроения получает в настоящее время реальное воплощение [1] в станках для автомобильной промышленности. Для достижения необходимой производительности и сверхвысокой точности обработки эти станки должны обладать, наряду с высокой геометрической точностью (точностью воспроизведения пространТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
ственной траектории движения режущего инструмента относительно обрабатываемой детали), также высокой статической и динамической жесткостью выходных звеньев их исполнительных органов.Под жесткостью, здесь и далее, понимается способность элементов станка противостоять влиянию силовых квазистатических и динамических нагрузок на их конструкцию, в частности, сохранять точность при действии последних на несущую систему станка.
В настоящей работе рассмотрены результаты исследования статической и динамической жесткости многоцелевого 5-координатного станка с ЧПУ мод МС 300 (ОАО «НИАТ»). Общий вид станка представлен на рис. 1а. Станок относится к фрезерно-расточной группе и является типичным представителем многоцелевых станков с ЧПУ, позволяющих проводить такие виды обработки детали с одной её установки как: сверление, фрезерование, растачивание и нарезание резьбы. Станок имеет традиционную конструкцию консольного типа: жесткую литую станину из чугуна, направляющие качения, привод линейных координат (ПИ – регулятор) с зубчаторемённой передачей и ШВП, привод угловых координат – безредукторный привод (direct drive).
Все элементы подвижных соединений в несущих системах приводов подач собраны с натягом.
Рис. 1: а) общий вид 5 координатного станка мод. МС 300, б) Устройство для измерения статической жесткости Для измерения статической жесткости использовалось устройство, разработанное и изготовленное совместно ИМАШ РАН и ОАО «НИАТ», показанное на рис. 1б. Устройство позволяет получать характеристику статической жесткости в виде петли гистерезиса при нагружении и разгружении несущей системы станка. При использовании спускового механизма данное устройство позволяет проводить экспериментальные исследования динамической жесткости и измерять «отклик» несущей системы станка на ступенчатое силовое воздействие в виде «перемещение – время». Общий вид экспериментальной установки, настроенной для исследоТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
вания «реакции» несущей системы координаты C (планшайбы) на ступенчатое силовое воздействие показан на рис. 2.Статическая жёсткость.
На рис. 3, в качестве примера, представлены экспериментальные кривые статической жесткости несущих систем по координатам X, Z. По координате Y поведение статической жесткости аналогично статической жесткости по координате X.
Численные значения статической жесткости для линейных координат представлены в таблице.
По результатам исследования статической жёсткости необходимо отметить следующее:
1) Практически отсутствуют петли гистерезиса (рис. 3, а). Это говорит о хорошей сборке, отсутствии зазоров (геометрических и упругих). Это также свидетельствует о том, что в несущей системе, содержащей привод, построенный на принципе ПИ – регулятора, исключается из
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
статической жёсткости часть её, присущая механической системе, охваченной обратной связью привода. В данном случае, элементы (ШВП, опоры, зубчато-ременная передача и др.), охваченные датчиком обратной связи (линейкой Heidenhain).2) Наблюдается недостаточная статическая жесткость в направлении действия нагружающей силы (Jxx = 12.5 Н/мкм, Jyy = 25 Н/мкм). Это, возможно, будет отрицательно сказываться при обработке труднообрабатываемых материалов.
3) Практически отсутствует взаимовлияние (Jxy > 500, Jxz > 500, Jyx > 500, Jyz > 500).
Такое поведение статической жёсткости по координатам X и Y можно было бы считать идеальным, если бы Jxx, Jyy были > 75 Н/мкм.
Нагружающая сила F координаты), Н/мкм По координате Z:
1) Наблюдается достаточно высокая статическая жёсткость в направлении действия нагружающей силы (Jzz =75 Н/мкм). Такая жесткость должна была бы наблюдаться по координатам X и Y.
2) Наблюдается наличие взаимовлияния между действием силы Fz и перемещениями в направлении X (Jzx = 136 Н/мкм). Это, возможно, является дефектом конструкции (несимметричность и отсутствие разгрузки от веса шпиндельной бабки, т. е. шпиндельная бабка «висит»
на ШВП). Последнее, может при определённых условиях приводить к возникновению автоколебаний.
3) Наблюдается наличие ощутимой петли гистерезиса в статической жесткости Jzx = Н/мкм. Это может быть вызвано дефектом конструкции (несимметричность и отсутствие разгрузки от веса шпиндельной бабки, т. е. шпиндельная бабка «висит» на ШВП).
Статическая жёсткость (крутильная) планшайбы в приведённом виде составляет Jcc = = 153 Н/мкм. В данном случае жёсткость определялась как отношение линейного перемещения точки на планшайбе, отстоящей от оси вращения на радиусе = 100 мм, к приложенной нагружающей силе P на плече = 100 мм. Это говорит о высокой крутильной жёсткости части механической системы, неохваченной обратной связью привода планшайбы.
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
Динамическая жёсткость.Отклик несущей системы по координате X на ступенчатое силовое воздействие 500 Н показан на рис. 4.. Аналогично ведет себя несущая система по координате Y. Такой переходной процесс можно считать нормальным (быстрое затухание и небольшое «перерегулирование»).
Отклик несущей системы по координате Z показан на рис. 5.
Из рис. 5, а) хорошо видно, что в несущей системе координаты Z при воздействии на неё ступенчатой силы возникают колебания типа «биение», затухание которых происходит медленно. На спектре колебаний (рис. 5, б) явно видны два близких пика в районе 40 Гц. Это явление «биение» может вызываться либо связанностью статической жёсткости по координатам X и Z.
Рис. 5: а — кривая «перемещение – время», б — спектр временного сигнала Jzx = 136 Н/мкм (рис. 3, а), либо поведением консоли со шпиндельной бабкой на направляющих координаты X, как двух связанных маятников. Медленное затухание колебаний «биение» говорит о том, что эти колебания происходят в части несущей системы, неохваченной датчиками обратной связи, и рассеивание энергии происходит за счёт трения (внешнего и внутренТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
него) в элементах этой части несущей системы. Возникновение колебаний типа «биение» в несущей системе координаты Z при воздействии на неё ступенчатой силы говорит о том, что возможно возникновение при определённых условиях автоколебаний при обработке деталей. Высказанные предположения требуют проведения дальнейших исследований динамической жесткости станков консольной конструкции (несимметричные и неразгруженные конструкции).Список используемой литературы 1. Lpez de Lacalle L. N., Lamikiz A. (Eds.) Machine Tools for High Performance Machining.
Springer-Verlag. 2009. 442 p.
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
УДК 621.9.06:628. Применение методов информационного анализа в экспериментальном исследовании эволюции поверхности при обработке тонких пластин свободным абразивом Тонкие пластины, используемые в технологиях космического назначения являются достаточно сложным технологическими объектами, что обуславливает высокий процент брака как по состоянию поверхности, так и вследствие потери формы. Наиболее сложным аспектом технологического процесса является обеспечении требуемых траекторий движения инструмента и самой детали а так же учет возможной потери формы вследствие появления на поверхности пластических деформаций. Кроме того изменения высоты микронеровностей поверхности детали в процессе обработки и, как следствие, изменение условий контактного взаимодействия, обуславливает необходимость рассмотрения этого процесса как эволюционного.Согласно анализу формообразующего движения притира, он представляет собой полигармоническую функцию времени или угла поворота ведущего кривошипа. Учитывая тот факт, что сам процесс полирования может трактоваться как стохастический, особый интерес представляет собой оценка спектра этого процесса. Как следует из проведенного ранее анализа полученных результатов, спектр интересующих нас сигналов ограничен частотами порядка 24 кГц. Несомненно, что эмпирические спектры должны содержать большую полосу частот и весь вопрос состоит в том, какие гармоники являются шумовой компонентой, а какие несут информацию о влиянии сил микрорезания при полировании на спектральные характеристики ускорений притира.
Деструкция контактирующих поверхностей в условиях интенсивного тепловыделения требует проведения анализа процессов, которые протекают как на макро, так и на микро уровне. Микроуровень характеризуется флуктуациями скоростей, давлений, температур. В случае фрикционного контакта сила трения может рассматриваться как сумма со случайным количеством случайных по величине слагаемых. Таким образом, характеристики силы трения должны нести в себе информацию о структуре самой фрикционной связи. В качестве характеристики степени неравновесности обычно используют отношение «фактора неравновесности», отражающего интенсивность внешнего воздействия к соответствующему ему «структурному фактору». В случае фрикционного контакта в качестве «фактора неравновесности» может рассматТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
риваться скорость относительного скольжения [3], а в качестве «структурного фактора» сила трения, поскольку она отражает энергетическую емкость системы.С целью отработки методики анализа временных рядов, каковыми являются исследуемые сигналы, была проведена попытка использования методов спектрального и информационного анализа. Для этого определялись: максимальная энтропия сигнала, относительная энтропия, организация системы и фиксировалась спектральная плотность исследуемого сигнала.
Процесс полирования, реализованный на НПП КП «КВАНТ» позволяет получить пластины толщиной 0,1–0,4 мм и шероховатостью поверхности Ra = 0.23-0.24. Полирование осуществляется на станке 3ПД-320А. Особенностью данного процесса является постепенное изменение состояния поверхности детали, которая проявляется в изменении условий контактного взаимодействия вследствие уменьшения параметра Ra.
Для обработки информации, полученной в ходе эксперимента была разработана программа расчета спектральных и информационных характеристик процесса по известной методике [1, 2]. Используемая программа основана на использовании дискретного преобразования Фурье.
Рис. 1. Спектр сигнала виброакселерометра в начале и в конце обработки На рис. 1, 2 представлены спектры виброускорений в начале и в коцце процесса обработки пластины. Предварительно сигнал был отфильтрован при помощи полосового фильтра Баттерворта. Но не смотря на проведенную фильтрацию, по этим спектрам не представляется возможным четко выделить изменения в состоянии поверхности в процессе обработки.
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
Рис. 2. Спектр сигнала виброакселерометра в начале и в конце обработки В процессе предварительного шлифования пластины удаляются регулярные составляющие от предшествующей обработки, в результате чего неизбежно должна возрастать хаотичность поверхности и, как следствие, информационная энтропия вибросигнала. Последующее финишное полирование пластины так же увеличивает хаотичность поверхности, но за счет того, что высота микронеровностей в процессе полирование уменьшается, должно наблюдаться постепенное уменьшение значений информационной энтропии вибросигнала.Рис. 3. Изменение энтропии сигнала перемещения в процессе обработки
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
Рис. 4. Изменение энтропии сигнала перемещения в процессе обработки На рис. 3, 4 представлены результаты экспериментальных исследований по оценке изменения состояния поверхности детали в процессе обработки. Отчетливо видно, что информационная энтропия сигналов перемещения в процессе обработки уменьшается, что свидетельствует об уменьшении хаотичности поверхности вследствие уменьшения высоты микронеровностей.Следует заметить, что в силу различных условий протекания технологического процесса (разные скорости относительного скольжения, наличие и отсутствие давления), время протекания процесса до достижения требуемых параметров состояния поверхности отличается.
В заключении можно сказать, что информационный анализ, несомненно, может быть использован для идентификации структурных состояний фрикционной пары, как при вариации входных параметров, так и изменения системы во времени.
Список используемой литературы 1. Гайдышев И.П. Анализ и обработка данных. Специальный справочник. – СПб.: Питер, 2002. – 752 с.
2. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. – СПб.: Питер, 2003. – 604 с.
3. Г. Хакен. Синергетика. М.: Мир, 1980, с. 400.
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
УДК 681. Разработка универсального алгоритма S-аппроксимации полутонового изображения The article considers the concept of S-approximation. Provides a description of the developed algorithms to simplify the halftone image and their comparative characteristics. On the basis of the analysis of the properties of the developed algorithms built the best algorithm for the approximation of the image. In this paper also describes the solution of the problem of constructing an algorithm of optimal S-approximation.Основным источником получения информации человеком является зрение, поэтому одним из важных направлений развития информационных технологий является распознавание образов по принципу зрения человека.
Большинство различных информационных систем (ИС) представляют результаты в виде графических изображений: графики, диаграмма, схемы и т. д. При таком представлении результатов важно придать выводимому изображению качества, при которых человек будет комфортно их воспринимать и в дальнейшем обрабатывать, а соответствующая подсистема ИС – преобразовывать как графический образ.
При распознавании изображений очень сложно оценивать цветное графическое изображение, так как оно представляет собой сочетание тысяч и миллионов форм, яркостей, цветностей, границ и тонов. Однако оказывается, что в большинстве задач это и не нужно, так как не все многочисленные черты исследуемого образа являются информативными. Во многих задачах распознавания образов, например, основной характеристикой, передающей структуру и смысл изображения, является яркость его элементов. Для таких задач оказывается достаточным исследование изображения в палитре серых тонов различной яркости. В предельном случае она может отображать всю гамму яркостей от минимальной (черный цвет) до максимальной (белый цвет). Такое изображение названо авторами мультитоновым. Часто исходное количество также избыточно и только усложняет дальнейшую обработку. Поэтому ставится задача упрощения изображения до S тонов при сохранении информативных признаков. Данный процесс назван Sаппроксимацией.
ТРУДЫ X МЕЖДУНАРОДНОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ФОРУМА
«ИННОВАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ»
Основным элементом мультитонового изображения является пиксель, характеризующейся яркостью. Поэтому аппроксимация сводится к попиксельному преобразованию, в результате которого сокращается количество тонов, используемых для передачи изображения.В результате решения задачи упрощения изображения был разработан комплекс субоптимальных алгоритмов S-аппроксимации, отличающихся от известных – более обоснованными критериями пиксельных замен, что приводит к более высокой точности аппроксимации. Но среди данных алгоритмов, также как и среди стандартных, например реализованные в программе «PhotoShop», не существует алгоритма, дающего лучшую точность по сравнению с другими при упрощении до любого количества тонов и для любых изображений. Поэтому поставлена задача оптимизации S-аппроксимации мультитоновых изображений. В результате решения данной задачи должен и быть получен универсальный алгоритм S-аппроксимации изображений.
В связи с неизвестностью и возможной сложностью пространства поиска, образуемого S-аппроксимацией, для решения поставленной оптимизационной задачи выбран один из эвристических алгоритмов, который по своей структуре наиболее близко описывает координатную задачу поиска. Таким алгоритмом стал метод роящихся частиц. В статье [1] уже было показано, что исходный канонический метод роя частиц, не может быть использован для решения задачи параметрической оптимизации S-аппроксимации. Выполнена его модификация с целью увеличения вероятности нахождения оптимума и параллельного поиска нескольких экстремумов за счет введения в рой антисоциальных частиц и механизма создания новых роев. Такой модифицированный метод назван авторами методом деления роя (МДР).
С целью его применения для решения поставленной задачи оптимизации выполнена предметная ориентация. Задача оптимизации s–аппроксимации является координатной задачей в s–мерном пространстве поиска. Она сводится к оптимизации координаты опорной яркости первого интервала h s и вектора значений правых интервалов H ( h b ), где b 1, S 1, т. е. к нахождению таких значений данных параметров, при которых аппроксимированное изображение будет максимально близко к исходному. Для применения МДР координаты центра роя сопоставляются с h s и координатами вектора значений правых интервалов H (h b ), которые были получены в результате аппроксимации изображения на основе одного из разработанных субоптимальных алгоритмов попиксельной s-аппроксимации.
В процессе генерации m частиц роя в пределах гиперсферы радиуса R каждую новую частицу p i ( х1, х 2,..., x s ), где i 1..m удобно задавать в виде координат радиуса r и угот. анг. particle - частица
«