ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. При создании высокоресурсных изделий современной техники определяющим фактором является качество поверхностного слоя, позволяющее технологам повысить эксплуатационные показатели изделий.

Большие успехи в направлении совершенствования покрытий достигнуты научными школами России по вибрационным волновым процессам в сочетании с химическими и другими воздействиями на объект обработки. Здесь наметился новый подход к расширению области использования импульсных механических воздействий на энергетические показатели химических процессов в едином технологическом процессе. Однако состояние таких исследований на период начала работ по проблеме раскрывало только возможности нового метода и требовало глубоких научных изысканий в этом направлении. Многолетний опыт Ростовской научной школы однозначно показал, что волновые процессы виброударного метода упрочняющей обработки дают возможность существенно улучшить технологические показатели, получаемые при последовательном использовании химических и механических воздействий, но наиболее полное использование потенциала этих воздействий возможно только при их комбинации в едином способе обработки, который мы назвали химико-механическим. Результаты этих исследований позволили создать механизм технологического повышения ресурса изделий, что востребовано промышленностью и актуально для современного отечественного и зарубежного машиностроения.

В технической литературе рассмотрено большое количество внешних энергетических воздействий на протекание химических процессов, где наибольшие возможности по управлению комбинированным процессом открываются при использовании вибрационных волновых технологий, по

которым в Донском государственном техническом университете накоплен обширный информационный потенциал, отражающий достижения в этом направлении исследований и признанный научной общественностью в России, США, Англии, Г ермании, Белоруссии, Украине и в других странах.

В основу работы положены научные исследования и опыт использования комбинированных методов обработки, где одним из воздействий является химический процесс, протекание которого возможно, если преодолен энергетический порог, при котором реакция осуществима, или интенсивность внутренней энергии обеспечивает в определенном временном интервале протекание химических процессов, обеспечивающих достижение заданных технологических и эксплуатационных показателей, в частности высокого ресурса. Далее требуется дозированный подвод энергии. Управляемость этого процесса наиболее полно обеспечивает механическое воздействие несвязанных гранул при вибрационном воздействии, которое обладает практически неограниченным энергетическим потенциалом. Синтез в едином технологическом процессе химического и механического воздействий является базой для формирования и развития нового научного направления по комбинированной обработке с управляемым энергетическим уровнем процесса, востребованным наукоемкими отраслями машиностроения, где основным критерием оценки мероприятий по изготовлению перспективной техники является обеспечение ресурса безотказной эксплуатации изделий.

Исследования выполнены в Донском государственном техническом университете на кафедре «Технология машиностроения», «ЭТСиЛ» ДГТУ, в НИИ «Физика» ЮФУ, научно-образовательном центре фотовольтаики и нанотехнологии «СКФУ», НИИ «Вибротехнология» ДГТУ, межкафедральном центре коллективного пользования нанотехнологий ДГТУ, а также на предприятиях машиностроения и вертолетостроения: в ООО ПК «НЭВЗ», г. Новочеркасск; ПАО «Роствертол», ЗАО «РГА», ООО «Янтарь 1» (г.Ростов-на- Дону); ЗАО «Нанотехнология МДТ» (ЗАО «НТ-МДТ») (г. Зеленоград); АО «ВМЗ» (г.Воронеж).

Работа выполнялась в рамках фундаментальных исследований ЕЗН Минобрнауки РФ по теме 1.17.12«Вибрационная механохимия в процессах отделочно-упрочняющей обработки и образования покрытий», гранта РФФИ №15-38-50330 «Комплексное исследование наноструктур M0S2C целью создания новых твердосмазочных материалов с высокими трибологическими свойствами».

Научная проблема, вызвавшая необходимость выполнения исследований, включает отсутствие исчерпывающих данных по установлению механизма и описанию взаимодействия в комбинированном технологическом процессе химического и механического виброволнового импульсного воздействия на базе управления энергетическим потенциалом для расширения технологических возможностей создаваемых химико-механических способов обработки высокоресурсных изделий.

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы является создание научных основ проектирования и обоснование путей реализации созданных способов комбинированного химико-механического процесса с управлением технологическими параметрами механического виброволнового воздействия для обеспечения повышенного ресурса и эксплуатационных показателей современных и перспективных изделий машиностроения.

Для достижения поставленной цели в настоящей работе решены следующие задачи:

1. Создание обобщенного критерия для оценки эффективности комбинированного химико-механического процесса при изготовлении деталей с повышенным ресурсом.

2. Разработка принципов построения методологии проектирования технологических процессов формирования высокоресурсных комбинированных покрытий в условиях виброволнового воздействия.

3. Исследование іаіутр енних связен актив анионного, энгрнетэнесгоно влияния химических и механических процессов на процессы формирования и

ресурсные показатели, вид и качество химико-механических покрытий для высокоресурсных изделий.

4. Разработка классификации и функциональных моделей формирования покрытий в условиях виброволновой активации, с учётом фазового состояния материала покрытия, химико-механического механизма и приоритетности влияния на его протекание механических и химических процессов.

5. Экспериментальная проверка разработанных моделей и создание базы для проектирования технологических процессов нанесения высокоресурсных комбинированных покрытий при изготовлении типовых деталей.

6. Создание новых процессов и устройств, для виброволнового нанесения химико-механических покрытий применительно к высокоресурсным изделиям новых поколений техники.

7. Разработка и реализация в производстве для типовых деталей высокоресурсных изделий типовых технологических процессов комбинированного нанесения покрытий, обеспечивающих заданный ресурс изделий.

8. Обоснование области эффективной реализации химико-механического процесса в машиностроении и прогнозирование технологических возможностей при использовании метода в изделиях нового поколения техники.

Методика проведения исследований.

Методологической основой работы являются фундаментальные положения комбинированных методов обработки, вибрационной техники, энергетики, химических технологий, технологии машиностроения, механики, термодинамики, механохимии, физико-химической механики материалов, общий системный подход к изучению процессов, протекающих в зоне контакта рабочей среды и детали, закономерностей формирования высокоресурсных покрытий.

Экспериментальные исследования проводились с использованием специально спроектированных рабочих камер для химико-механической обработки, установленных на вибрационные станки. Оценка характеристик покрытия производилась с использованием оптической, растровой, сканирующей

зондовой микроскопии, оптической интерферометрии, спектрального и рентгеноструктурного анализа, применялись также измерительные приборы, профилометры, твердомеры, весы требуемой точности. Достоверность полученных результатов подтверждена моделями рабочих процессов, экспериментальной проверкой их адекватности, а также результатами промышленной апробации и внедрения.

Научная новизна работы.

1. Впервые разработаны обобщенная энергетическая и типовые физические модели, раскрывающие механизм формирования химико-механических высокоресурсных покрытий, позволивших создать научные основы для управления процессом с учётом внешних и внутренних факторов энергетического равновесия и основы формирования нового научного направления по разработке комбинированного технологического процесса.

2. Впервые раскрыты закономерности совмещенного химического и механического виброволнового активационного влияния одновременного действия внешних и внутренних факторов на вид, структуру и ресурсные свойства формируемого на поверхности высокоресурсного покрытия.

3. Раскрытмеханизм струїмуріїо-фазовьіхвоздейсті5иеісі[.и}су[іс и качсство покрытий, что позволило установить закономерности получения качественных слоев на микро/наноуровне, обуславливающие получение ранее недостижимого качества и эксплуатационных свойств химико-механических покрытий.

Пχсктическся ценность работы.

1. Впервые создана методология проектирования технологических процессов получения высокоресурсных химико-механических покрытий, учитывающих эксплуатационные условия и возможность прогнозировать качество типовых изделий в условиях эксплуатации с учётом требуемого ресурса изделий и их устойчивости к внешним воздействиям.

2. Разработан метод выбора режимов виброволнового нанесения химическо- механических покрытий, отвечающих запросам машиностроительной и авиакосмической отрасли.

действию внешних и внутренних химических и механических факторов, что может стать основой для развития нового научного направления в технологии машиностроения.

2. НаучноаУосн ооанные аенничеекнеитехнолтехческиерсшениянаучн он проблемы по повышению ресурса, качества и долговечности изделий нового поколения за счет создания высокоресурсных химико-механических покрытий, отвечающий запросам разработчиков перспективной техники.

3. Структуризацию основных видов комбинированных химико­механических покрытий с учетом их долговечности и функционального назначения.

4. Методы расчета, выбор технологического оборудования, средств технического оснащения, растворов для типовых комбинированных химико - механических покрытий, а также методологию создания и методы реализации результатов, направленных на повышение эффективности их нанесения.

5. Результаты экспериментальных исследований, производственных испытаний, внедрения, новые устройства и оборудование, перспективы применения технологических процессов нанесения комбинированных высокоресурсных химико-механических покрытий на предприятиях различных отраслей машиностроения.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались на Международных, Всероссийских и Региональных научно-технических, научно-практических симпозиумах, конференциях, семинарах: Международной конференции «Совершенствование и развитие отделочно-зачистной, финишной и поверхностно-пластической обработки деталей», Винница, 1992; Всероссийской научно-технической конференции «Надёжность и ресурс работы оборудования и оснащения», Воронеж, 1993; III Международной научно-технической конференции «Вибрации в технике и технологиях», Евпатория, 1998; IX Международном научно-технологическом семинаре «Высокие технологии в машиностроении. Современные тенденции развития», Алушта-Харьков, 1999;

XXVII научно-технической конференции «Автотракторостроение:

Промышленность и высшая школа», секция «Методы обработки, станки и инструменты», Москва, 1999; 6^th Intern. соп£ «Precision Surface Finishing and Debarring Technology», Saint-Peterburg, 2000; Международном симпозиуме «ОМА- 2003», «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах»: Сочи- Ростов-на- Дону, 2003; V Международной научно-технической конференции «Вибрации в технике и технологиях», Винница, 2004; «71 International Conference on Deburring and Surface Finishing», University of California, - Berkley, 2004; V Международной научно-технической конференции «Материалы и технологииXXI века», Пенза, 2007; Международной научно - технической конференции «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки», Ростов- на-Дону, 2008; XIМеждународной научно - технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы в машиностроительном комплексе- ТЕХНОЛОГИЯ-2009», Орел, 2009; Международной научно - технической конференции «Нанотехнологии» ЮФУ, г. Ростов-на-Дону, 2010; IX Международной научно - технической конференции «ИнЭРТ» ДГТУ,г. Ростов- на-Дону, 2010; XII Международной практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано до макроуровня», Санкт-Петербург, 2010; научно - технической конференции «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей», Москва, 2010; II Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении», Кемерово. «КузГТУ», 2011; VI Международной научно - технической конференции «Современные методы и технологии создания и обработки материалов», Минск, ФТИ НАН Белорусь 2011; II Всероссийской научно - технической конференции с международным участием», Иркутск, 2012; Международной научно - технической конференции «Механика ударно-волновых процессов в технологических системах», Ростов-на-Дону, 2012; «Качество, стандартизация, контроль: теория и практика», XIII международной научно-практической

конференции, г. Ялта-Киев, АТМ Украины, 2012; Международной научно - технической конференции «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки», Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2013; III Всероссийской научно - технической конференции с международным участием «Жизненный цикл конструкционных материалов (от получения до утилизации)», Иркутск, 2013; научно - технической конференции «Наукоемкие комбинированные и виброволновые технологии обработки материалов», Ростов- на-Дону, ДГТУ, 2013; научно - технической конференции Донецкого НТУ, «Прогресивні технологи систем и машинобудування», г. Донецк, 2013; V научно - технической конференции «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии»; IX Промышленном конгрессе юга России, Ростов-на-Дону, 2013; IX Miedzynarodowe konferenc ji. Wschodnie partnerstwo» Technnic znenauki.:Przemysl. Nauka Istudia, 2013; Международной научно - технической конференции «Вибрационные технологии и управляемые машины», Курск, 2014; Международной научной конференции технологов-машиностроителей и механиков «Волновые, виброволновые технологии в машиностроении, металлообработке и других отраслях», Ростов-на-Дону, 2014; VI Международной научно - технической конференции «Инновации в машиностроении-основа технологичного развития России», Барнаул, 2014; Международной научно - технической конференции «Современные наукоемкие технологии, оборудование и инструменты в машиностроении (МТЕТ-2014)», Санкт-Петербург, 2014; Международной научно - технической конференции ПОЛИКОМТРИБ-2015, Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого НАН Беларуси, 2015; XII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Наука и производство», г. Старый Оскол, 2015; VIII Международная научно-техническая конференция «Наукоемкие технологии на современном этапе развития машиностроения (ТМ-2016)», г. Москва, 2016; Международный научный симпозиум технологов-машиностроителей «Перспективные

направления развития финишных методов обработки; виброволновые технологии», Ростов-на-Дону, 2016 г.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 109 научных работы из них 30 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 входит в базу SCOPUS, 5 в изданиях, рекомендованных ВАК Украины, 4 монографии, 4 патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы из 226 наименований и приложений. Общий объем диссертации 351 страницы, в том числе 182 рисунков, 26 таблиц.