Файл: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования керченский государственный.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.10.2023
Просмотров: 843
Скачиваний: 5
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Техническое зрение. Термин техническое зрение описывает системы очувствления робота, т.е. набор датчиков, преобразователей сигнала, камер и алгоритмов обработки информации, которые позволяют роботу однозначно воспринимать и интерпретировать окружающую реальность под себя. Само техническое зрение относится к широкой области знаний, именуемой компьютерным зрением, этот важный факт стоит запомнить, так как многие
СОВРЕМЕННЫЕ НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
96 профессионалы, даже самые матерые его путают и не видят никакой разницы.
Коротко говоря техническое зрение – это все те средства, что были описаны выше, соединенные вместе.
Компьютерное зрение решает большой спектр задач. Человеку свойственно решать многие задачи на уровне подсознания. Машина не обладает такими
«врожденными» свойствами, поэтому малое изменение геометрии, яркости и иных свойств объекта вносит внушительную степень сложности при разработке алгоритмов анализа и управления. До появления нейронных сетей, алгоритмы компьютерного зрения оперировали отдельными изображениями, выделяли четкие границы, определяли анализируемый объект его геометрию, яркость и так далее. Такой «классический» метод отошел на второй план с появлением в 2013 году нейронных сетей.
Такой подход позволил усовершенствовать «классических» подход, не меняя при этом сами алгоритмы, теперь одной из основных задач разработчика, собрать так называемый «датасет» и заставит обучаться нейронную сеть под конкретную задачу. Но при формировании базы данных важно использовать примеры, без анализируемого объекта или где такой объект сложнее идентифицировать.
Основной недостаток данного подхода заключается в затрачивании большого количества времени на подготовку базы данных, а если требуется решать задачу больше, чем одну, то формирование можно длиться постоянно.
Основной проблемой
«классического» подхода заключается в масштабируемости, поэтому актуальной задачей для разработчиков является написать такой алгоритм, который бы позволял решать классические и новые задачи без длительного обучения.
Привод. Важными элементами любой системы позиционирования являются не только источники входного сигнала, но и приводы.Самые распространенные в робототехнике электроприводы строятся на базе коллекторных и бесщеточных электродвигателей постоянного тока, изображенных на рисунке 7. Несмотря на множество недостатков, коллекторные
СОВРЕМЕННЫЕ НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
97 двигатели, благодаря малой стоимости и простоте управления, используются в приложениях, не критичных к скорости и точности позиционирования. Более высокой надежностью обладают бесщеточные электродвигатели за счет отсутствия коллекторного узла, но также они имеют более высокую стоимость и применяются тогда, когда иные двигатели не обеспечивают заявленные технические характеристики.
Рисунок 7 – Коллекторный и бесщеточный ДПТ
Третьим типом двигателей, широко применяющимся в робототехнике, являются шаговые двигатели. Они могут быть сравнены с двигателями синхронного типа, так как в них есть связь между сигналом питания и положением ротора. Путем переключения попеременно обмоток статора, меняется положение магнитного поля, что заставляет ротор двигателя провернуться на определенный угол или шаг. Шаговый двигатель представлен на рисунке 8.
Рисунок 8 – Состав шагового двигателя
СОВРЕМЕННЫЕ НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
98
Данная конструктивная особенность позволяют определить положение ротора в любой момент времени, шаговые двигатели часто используются без
«внешней» обратной связи. Стандартным для двигателей такого типа является шаг в 1.8 градуса, с возможностью «дробления» в микрошаговом режиме. К недостаткам можно отнести вероятность пропуска шагов при вращении на больших скоростях, малую мощность и высокая стоимость.
Самым малоиспользуемым типом привода является пьезопривод на основе пьезодвигателя или ультразвукового двигателя [5], представленный на рисунке 9.
Рисунок 9 – Пьезодвигатель
В пьезодвигателе применен обратный пьезоэффект: подавая напряжение питания пьезоэлемент преобразует электрическую энергию в механическую с высоким КПД (около 95%). Используя электрические колебания во поступательное или вращательное движение ротора пьезодвигателя, можно получать уникальные приборы. Развиваемый крутящий момент на валу достаточно велик, чтобы не было необходимым использование механических преобразователей.
Заключение. Выбор компонентов системы позиционирования не является однозначным. Очевидно, что каждая технология имеет ряд существенных достоинств и недостатков. Компоненты и технологии систем позиционирования должны выбираться согласно назначению и типу робота – задачи и методы позиционирования промышленного манипулятора отличаются от мобильного складского робота. Очевидно, для повышения эффективности могут быть
СОВРЕМЕННЫЕ НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
99 комбинированы различные технологии, с другой стороны, использование всего существующего арсенала научно-технических разработок одновременно не имеет смысла. Таким образом, важной является задача оптимизации, выбор такого набора датчиков, приводов и алгоритмов, которые будут удовлетворять всем требованиям технического задания. Наибольший интерес для дальнейших исследований с точки зрения промышленных роботов-манипуляторов представляют инерциальные системы позиционирования.
Список использованной литературы
1.
Шваб, К.
Четвертая промышленная революция : пер. с англ. / Клаус Шваб. - Москва : Э,
2016. - 209 с. – ISBN 978-5-699-90556-0 2.
Москаленко, Т. А. Методы позиционирования робототехнических систем внутри помещения на базе телекоммуникационных технологий / Т. А. Москаленко, Р. В.
Киричек // Информационные технологии и телекоммуникации. – 2016. – Том 4. – №1. –
С. 37 – 45.
3.
Система позиционирования и идентификации мобильной робототехнической платформы в ограниченном и открытом пространстве / Т. С. Евдокимова [и др.] // Труды
НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – №2. – 2018. – С. 16 – 25.
4.
Инерциальная навигационная система: как это работает. – Текст : электронный // Ростех
: [сайт]. - 12 августа 2019. – URL: https://rostec.ru/news/kak-eto-rabotaet-inertsialnaya- navigatsionnaya-sistema-/(дата обращения: 10.05.2023)
5.
Давриненко, В. Принципы построения пьезоэлектрических моторов / В. Лавриненко. –
Lambert, 2015. – 236 с. – ISBN 978-3-659-51406-7.
СОВРЕМЕННЫЕ НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
100
УДК
62-233.132
МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН НА
ПРИМЕРЕ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА
Фазулзянов Марат Рамилевич,
студент направления подготовки Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств,
Русинов Вячеслав Дмитриевич,
студент направления подготовки Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств,
Нугуманова Эльвина Ильдаровна,
студент направления подготовки Материаловедение и технология материалов,
Шивоев Роман Станиславович,
студент направления подготовки Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств,
ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет имени А. Н. Туполева – КАИ», г. Казань
Научный руководитель: Куртаева Фарида Наиловна,
доцент кафедры Материаловедения, сварки и производственной безопасности,
ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет имени А. Н. Туполева – КАИ», г. Казань
Аннотация. В статье обсуждаются различные методы упрочнения, используемые для улучшения эксплуатационных свойств механических деталей, в частности, коленчатых валов.
Технологию поверхностного упрочнения деталей можно разделить на 3 основных метода — химико-термический, термический и механический. При выборе метода упрочнения детали важно учитывать такие факторы, как производственные возможности предприятия, требования к детали, материал детали. Повышение прочности деталей способно обеспечить надлежащий срок службы, высокую износостойкость при сохранении высокой ударной вязкости. Коленчатые валы, являющиеся ответственными элементами силовых установок, работают в условиях высоких динамических и знакопеременных нагрузок, испытывают напряжения изгиба, кручения, а также работают при повышенном трении. Поэтому они подвержены эксплуатационному износу и требуют упрочняющей обработки для обеспечения повышенных эксплуатационных характеристик, в основном усталостной прочности. Опираясь на существующий опыт предприятий и исследователей, можно сделать рациональный выбор технологии упрочнения.
Ключевые слова:технология, коленчатый вал, цементация, упрочнение, обработка, поверхностный слой, шейка коленчатого вала.
Цель: сбор данных и сравнительный анализ различных методов обработки поверхностей коленчатого вала с целью оптимального выбора соответствующего технологического процесса для конкретного сценария.
СОВРЕМЕННЫЕ НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
101
Для упрочнения коленчатых валов используют множество методов, отличающихся способами и временем воздействия на деталь, стоимостью процесса, технологичностью, производительностью. Методы поверхностного упрочнения можно разделить на три группы: термическое, химико-термическое и деформационное упрочнение.
Химико-термическое упрочнение. В результате проведения ХТО на наружной поверхности изделия образуется новый, отличающийся от сердцевины, сплав [1]. Традиционными видами химико-термического упрочнения является науглероживание и азотирование.
Цементация – это процесс, объединяющий термическую и химическую обработки, который используется для повышения твердости и стойкости к изнашиванию наружной поверхности стальных деталей. Науглероживание происходит под воздействием высокой температуры: атомы углерода диффундируют в поверхность стали и образуют слой высокоуглеродистой стали.
Толщина слоя может составлять от 0,1 мм до нескольких миллиметров, в зависимости от области использования и желаемых свойств детали. Полученная в результате поверхность более устойчива к износу, что делает ее подходящей для применения при изготовлении таких деталей, как шестерни, муфты и втулки, пальцы и других механических компонентов, подвергающихся динамическим и знакопеременным нагрузкам и изнашивающихся в процессе эксплуатирование.
Детали, изготовленные из низкоуглеродистой стали (0,10-0,25% С), нагреваются в среде, богатой углеродом. Эти стали следует использовать, чтобы обеспечить отсутствие насыщения углеродом во время цементации и сохранение высокой вязкости после закалки.
Цементация проводится с помощью твердых, газообразных или жидких карбюризаторов. При науглероживании с использованием твердого карбюризатора в качестве науглероживающего агента используется древесный уголь (дубовый или березовый) с зерном 3,5-10,0 мм. Активирующие добавки, карбонат бария (BaCO
3
) и карбонат натрия (Na
2
CO
3
), добавляются в количестве
10-40% от веса угля для улучшения протекания процесса. Изделие, подлежащее
СОВРЕМЕННЫЕ НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
102 науглероживанию, после предварительной очистки укладывают в прямоугольные или цилиндрические сварные стальные или чугунные ящики, затем послойно, компактно укладывают в карбюризаторе. После коробку помещают в печь. Нагрев в печах осуществляется при температуре 850-950С, время выдержки составляет 6-15 часов. После окончании выдержки коробку охлаждают на воздухе до 400-500 С. В дальнейшем для повышения прочности и износостойкости проводят закалку (или двойную закалку) с последующим отпуском (150-200С). Многочисленные нагревы вызывают изменение размеров и формы, поэтому цементированные изделия должны проходить шлифовку
(«под размер»).
Более перспективным для обработки легированных сталей является газовая цементация. Время процесса обычно сокращается в 2-2,5 раза. Равномерность распределения углерода в упрочненном слое в значительной степени обуславливает его контактную выносливость, при этом такой процесс обеспечивает заданную глубину цементированного слоя равномерно по всем поверхностям с допуском 0,2 мм. При цементации высоколегированных сталей концентрация углерода на поверхности 1,5…2,0% [2]. Равномерность распределения концентрации углерода в упрочненном слое определяет контактную выносливость детали. Равномерности распределения способствует использование многостадийных режимов цементации. После цементации рекомендуется нормализация, которая обеспечивает диффузионное перераспределение и плавное изменение концентрации углерода
(соответственно, твердости) по толщине слоя, что в итоге приводит к минимизации напряжений между слоями в процессе работы. Кроме этого, способ газовой цементации имеет некоторые преимущества: закалка может производиться сразу после непосредственного науглероживания; параметрами процесса можно обеспечить необходимую глубину и твердость цементированного слоя; уменьшение деформации элементов за счет более равномерного нагрева до рабочих температур; улучшить санитарно- гигиенические условия труда.
СОВРЕМЕННЫЕ НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
103
Для усиления эффекта науглероживания применяют технологию ионной цементации. Главная отличительная особенность этой технологии заключается в том, что цементирующая газовая среда в рабочей камере ионизируется тлеющим разрядом. Процесс может быть сокращен в 2…10 раз, что объясняется активизацией газовой среды, улучшением адсорбции атомов углерода поверхностью стали и ускорением диффузии углерода в поверхность.
Применяемая цементирующая газовая среда состоит из смеси пропан-бутана и диссоциированного аммиака, которые подаются в рабочую камеру через дозаторы с постоянным расходом, определяемым массой садки. Отработанные же газы откачиваются из камеры масляным форвакуумным насосом. Скоростью напуска газа и скоростью его откачки поддерживают необходимое давление в камере, обычно от 1 до 3 мм. рт. ст. при цементации в кипящем слое, когда в процессе насыщение поверхности деталей бомбардируются твердыми частицами песка или абразива, удаляющими пассивирующие пленки и активизирующими поверхность. Другой особенностью обработки в кипящем слое является равномерность температурного поля в печи, что уменьшает коробление деталей и способствует равномерности насыщения и предварительного подогрева детали в окислительной атмосфере при температурах 350…400 ℃ . При этом сгорают загрязнения на поверхности деталей, а оксидная пленка способствует ускорению цементации [2]. Однако для процесса газовой цементации требуется более сложное и дорогое оборудование, для которого характерны сложная эксплуатация из-за необходимости использования закрытых печей, равномерной циркуляции газа и т.д., предъявляются строгие требования к безопасности труда.
Азотирование представляет собой процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя детали азотом. Оно используется для обеспечения деталям повышенной твердости и стойкости к износу. Одновременно повышается усталостная прочность и сопротивление коррозии. Твердость азотированного слоя выше, чем цементированного; она сохраняется при нагреве до температур
450 …550 ℃ (пока нитриды не начнут терять твердость), тогда как твердость
СОВРЕМЕННЫЕ НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
96 профессионалы, даже самые матерые его путают и не видят никакой разницы.
Коротко говоря техническое зрение – это все те средства, что были описаны выше, соединенные вместе.
Компьютерное зрение решает большой спектр задач. Человеку свойственно решать многие задачи на уровне подсознания. Машина не обладает такими
«врожденными» свойствами, поэтому малое изменение геометрии, яркости и иных свойств объекта вносит внушительную степень сложности при разработке алгоритмов анализа и управления. До появления нейронных сетей, алгоритмы компьютерного зрения оперировали отдельными изображениями, выделяли четкие границы, определяли анализируемый объект его геометрию, яркость и так далее. Такой «классический» метод отошел на второй план с появлением в 2013 году нейронных сетей.
Такой подход позволил усовершенствовать «классических» подход, не меняя при этом сами алгоритмы, теперь одной из основных задач разработчика, собрать так называемый «датасет» и заставит обучаться нейронную сеть под конкретную задачу. Но при формировании базы данных важно использовать примеры, без анализируемого объекта или где такой объект сложнее идентифицировать.
Основной недостаток данного подхода заключается в затрачивании большого количества времени на подготовку базы данных, а если требуется решать задачу больше, чем одну, то формирование можно длиться постоянно.
Основной проблемой
«классического» подхода заключается в масштабируемости, поэтому актуальной задачей для разработчиков является написать такой алгоритм, который бы позволял решать классические и новые задачи без длительного обучения.
Привод. Важными элементами любой системы позиционирования являются не только источники входного сигнала, но и приводы.Самые распространенные в робототехнике электроприводы строятся на базе коллекторных и бесщеточных электродвигателей постоянного тока, изображенных на рисунке 7. Несмотря на множество недостатков, коллекторные
СОВРЕМЕННЫЕ НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
97 двигатели, благодаря малой стоимости и простоте управления, используются в приложениях, не критичных к скорости и точности позиционирования. Более высокой надежностью обладают бесщеточные электродвигатели за счет отсутствия коллекторного узла, но также они имеют более высокую стоимость и применяются тогда, когда иные двигатели не обеспечивают заявленные технические характеристики.
Рисунок 7 – Коллекторный и бесщеточный ДПТ
Третьим типом двигателей, широко применяющимся в робототехнике, являются шаговые двигатели. Они могут быть сравнены с двигателями синхронного типа, так как в них есть связь между сигналом питания и положением ротора. Путем переключения попеременно обмоток статора, меняется положение магнитного поля, что заставляет ротор двигателя провернуться на определенный угол или шаг. Шаговый двигатель представлен на рисунке 8.
Рисунок 8 – Состав шагового двигателя
СОВРЕМЕННЫЕ НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
98
Данная конструктивная особенность позволяют определить положение ротора в любой момент времени, шаговые двигатели часто используются без
«внешней» обратной связи. Стандартным для двигателей такого типа является шаг в 1.8 градуса, с возможностью «дробления» в микрошаговом режиме. К недостаткам можно отнести вероятность пропуска шагов при вращении на больших скоростях, малую мощность и высокая стоимость.
Самым малоиспользуемым типом привода является пьезопривод на основе пьезодвигателя или ультразвукового двигателя [5], представленный на рисунке 9.
Рисунок 9 – Пьезодвигатель
В пьезодвигателе применен обратный пьезоэффект: подавая напряжение питания пьезоэлемент преобразует электрическую энергию в механическую с высоким КПД (около 95%). Используя электрические колебания во поступательное или вращательное движение ротора пьезодвигателя, можно получать уникальные приборы. Развиваемый крутящий момент на валу достаточно велик, чтобы не было необходимым использование механических преобразователей.
Заключение. Выбор компонентов системы позиционирования не является однозначным. Очевидно, что каждая технология имеет ряд существенных достоинств и недостатков. Компоненты и технологии систем позиционирования должны выбираться согласно назначению и типу робота – задачи и методы позиционирования промышленного манипулятора отличаются от мобильного складского робота. Очевидно, для повышения эффективности могут быть
СОВРЕМЕННЫЕ НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
99 комбинированы различные технологии, с другой стороны, использование всего существующего арсенала научно-технических разработок одновременно не имеет смысла. Таким образом, важной является задача оптимизации, выбор такого набора датчиков, приводов и алгоритмов, которые будут удовлетворять всем требованиям технического задания. Наибольший интерес для дальнейших исследований с точки зрения промышленных роботов-манипуляторов представляют инерциальные системы позиционирования.
Список использованной литературы
1.
Шваб, К.
Четвертая промышленная революция : пер. с англ. / Клаус Шваб. - Москва : Э,
2016. - 209 с. – ISBN 978-5-699-90556-0 2.
Москаленко, Т. А. Методы позиционирования робототехнических систем внутри помещения на базе телекоммуникационных технологий / Т. А. Москаленко, Р. В.
Киричек // Информационные технологии и телекоммуникации. – 2016. – Том 4. – №1. –
С. 37 – 45.
3.
Система позиционирования и идентификации мобильной робототехнической платформы в ограниченном и открытом пространстве / Т. С. Евдокимова [и др.] // Труды
НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – №2. – 2018. – С. 16 – 25.
4.
Инерциальная навигационная система: как это работает. – Текст : электронный // Ростех
: [сайт]. - 12 августа 2019. – URL: https://rostec.ru/news/kak-eto-rabotaet-inertsialnaya- navigatsionnaya-sistema-/(дата обращения: 10.05.2023)
5.
Давриненко, В. Принципы построения пьезоэлектрических моторов / В. Лавриненко. –
Lambert, 2015. – 236 с. – ISBN 978-3-659-51406-7.
СОВРЕМЕННЫЕ НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
100
УДК
62-233.132
МЕТОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН НА
ПРИМЕРЕ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА
Фазулзянов Марат Рамилевич,
студент направления подготовки Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств,
Русинов Вячеслав Дмитриевич,
студент направления подготовки Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств,
Нугуманова Эльвина Ильдаровна,
студент направления подготовки Материаловедение и технология материалов,
Шивоев Роман Станиславович,
студент направления подготовки Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств,
ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет имени А. Н. Туполева – КАИ», г. Казань
Научный руководитель: Куртаева Фарида Наиловна,
доцент кафедры Материаловедения, сварки и производственной безопасности,
ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет имени А. Н. Туполева – КАИ», г. Казань
Аннотация. В статье обсуждаются различные методы упрочнения, используемые для улучшения эксплуатационных свойств механических деталей, в частности, коленчатых валов.
Технологию поверхностного упрочнения деталей можно разделить на 3 основных метода — химико-термический, термический и механический. При выборе метода упрочнения детали важно учитывать такие факторы, как производственные возможности предприятия, требования к детали, материал детали. Повышение прочности деталей способно обеспечить надлежащий срок службы, высокую износостойкость при сохранении высокой ударной вязкости. Коленчатые валы, являющиеся ответственными элементами силовых установок, работают в условиях высоких динамических и знакопеременных нагрузок, испытывают напряжения изгиба, кручения, а также работают при повышенном трении. Поэтому они подвержены эксплуатационному износу и требуют упрочняющей обработки для обеспечения повышенных эксплуатационных характеристик, в основном усталостной прочности. Опираясь на существующий опыт предприятий и исследователей, можно сделать рациональный выбор технологии упрочнения.
Ключевые слова:технология, коленчатый вал, цементация, упрочнение, обработка, поверхностный слой, шейка коленчатого вала.
Цель: сбор данных и сравнительный анализ различных методов обработки поверхностей коленчатого вала с целью оптимального выбора соответствующего технологического процесса для конкретного сценария.
СОВРЕМЕННЫЕ НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
101
Для упрочнения коленчатых валов используют множество методов, отличающихся способами и временем воздействия на деталь, стоимостью процесса, технологичностью, производительностью. Методы поверхностного упрочнения можно разделить на три группы: термическое, химико-термическое и деформационное упрочнение.
Химико-термическое упрочнение. В результате проведения ХТО на наружной поверхности изделия образуется новый, отличающийся от сердцевины, сплав [1]. Традиционными видами химико-термического упрочнения является науглероживание и азотирование.
Цементация – это процесс, объединяющий термическую и химическую обработки, который используется для повышения твердости и стойкости к изнашиванию наружной поверхности стальных деталей. Науглероживание происходит под воздействием высокой температуры: атомы углерода диффундируют в поверхность стали и образуют слой высокоуглеродистой стали.
Толщина слоя может составлять от 0,1 мм до нескольких миллиметров, в зависимости от области использования и желаемых свойств детали. Полученная в результате поверхность более устойчива к износу, что делает ее подходящей для применения при изготовлении таких деталей, как шестерни, муфты и втулки, пальцы и других механических компонентов, подвергающихся динамическим и знакопеременным нагрузкам и изнашивающихся в процессе эксплуатирование.
Детали, изготовленные из низкоуглеродистой стали (0,10-0,25% С), нагреваются в среде, богатой углеродом. Эти стали следует использовать, чтобы обеспечить отсутствие насыщения углеродом во время цементации и сохранение высокой вязкости после закалки.
Цементация проводится с помощью твердых, газообразных или жидких карбюризаторов. При науглероживании с использованием твердого карбюризатора в качестве науглероживающего агента используется древесный уголь (дубовый или березовый) с зерном 3,5-10,0 мм. Активирующие добавки, карбонат бария (BaCO
3
) и карбонат натрия (Na
2
CO
3
), добавляются в количестве
10-40% от веса угля для улучшения протекания процесса. Изделие, подлежащее
СОВРЕМЕННЫЕ НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
102 науглероживанию, после предварительной очистки укладывают в прямоугольные или цилиндрические сварные стальные или чугунные ящики, затем послойно, компактно укладывают в карбюризаторе. После коробку помещают в печь. Нагрев в печах осуществляется при температуре 850-950С, время выдержки составляет 6-15 часов. После окончании выдержки коробку охлаждают на воздухе до 400-500 С. В дальнейшем для повышения прочности и износостойкости проводят закалку (или двойную закалку) с последующим отпуском (150-200С). Многочисленные нагревы вызывают изменение размеров и формы, поэтому цементированные изделия должны проходить шлифовку
(«под размер»).
Более перспективным для обработки легированных сталей является газовая цементация. Время процесса обычно сокращается в 2-2,5 раза. Равномерность распределения углерода в упрочненном слое в значительной степени обуславливает его контактную выносливость, при этом такой процесс обеспечивает заданную глубину цементированного слоя равномерно по всем поверхностям с допуском 0,2 мм. При цементации высоколегированных сталей концентрация углерода на поверхности 1,5…2,0% [2]. Равномерность распределения концентрации углерода в упрочненном слое определяет контактную выносливость детали. Равномерности распределения способствует использование многостадийных режимов цементации. После цементации рекомендуется нормализация, которая обеспечивает диффузионное перераспределение и плавное изменение концентрации углерода
(соответственно, твердости) по толщине слоя, что в итоге приводит к минимизации напряжений между слоями в процессе работы. Кроме этого, способ газовой цементации имеет некоторые преимущества: закалка может производиться сразу после непосредственного науглероживания; параметрами процесса можно обеспечить необходимую глубину и твердость цементированного слоя; уменьшение деформации элементов за счет более равномерного нагрева до рабочих температур; улучшить санитарно- гигиенические условия труда.
СОВРЕМЕННЫЕ НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
103
Для усиления эффекта науглероживания применяют технологию ионной цементации. Главная отличительная особенность этой технологии заключается в том, что цементирующая газовая среда в рабочей камере ионизируется тлеющим разрядом. Процесс может быть сокращен в 2…10 раз, что объясняется активизацией газовой среды, улучшением адсорбции атомов углерода поверхностью стали и ускорением диффузии углерода в поверхность.
Применяемая цементирующая газовая среда состоит из смеси пропан-бутана и диссоциированного аммиака, которые подаются в рабочую камеру через дозаторы с постоянным расходом, определяемым массой садки. Отработанные же газы откачиваются из камеры масляным форвакуумным насосом. Скоростью напуска газа и скоростью его откачки поддерживают необходимое давление в камере, обычно от 1 до 3 мм. рт. ст. при цементации в кипящем слое, когда в процессе насыщение поверхности деталей бомбардируются твердыми частицами песка или абразива, удаляющими пассивирующие пленки и активизирующими поверхность. Другой особенностью обработки в кипящем слое является равномерность температурного поля в печи, что уменьшает коробление деталей и способствует равномерности насыщения и предварительного подогрева детали в окислительной атмосфере при температурах 350…400 ℃ . При этом сгорают загрязнения на поверхности деталей, а оксидная пленка способствует ускорению цементации [2]. Однако для процесса газовой цементации требуется более сложное и дорогое оборудование, для которого характерны сложная эксплуатация из-за необходимости использования закрытых печей, равномерной циркуляции газа и т.д., предъявляются строгие требования к безопасности труда.
Азотирование представляет собой процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя детали азотом. Оно используется для обеспечения деталям повышенной твердости и стойкости к износу. Одновременно повышается усталостная прочность и сопротивление коррозии. Твердость азотированного слоя выше, чем цементированного; она сохраняется при нагреве до температур
450 …550 ℃ (пока нитриды не начнут терять твердость), тогда как твердость