Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0088

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0088
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов"
Название доклада
Разработка специализированного нанотвердомера-профилометра и методов контроля физико-механических свойств внутренних поверхностей открытых и глухих каналов для применения в машиностроении и авиакосмической отрасли
Докладчик
Усеинов Алексей Серверович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Задачей реализуемого проекта является разработка экспериментального образца специализированного нанотвердомера-профилометра и методик контроля модуля упругости (Юнга), твердости и параметров наношероховатости на внутренних поверхностях, на глубинах, существенно превышающих входной диаметр сквозных или глухих каналов; а также разработка программного обеспечения для управления измерительными процедурами и обработки экспериментальных данных.

Целью реализуемого проекта является обеспечение возможности контроля с нанометровым пространственным разрешением наношероховатости, твердости и модуля упругости внутренних поверхностей открытых или глухих каналов в узлах и агрегатах изделий и механизмов, применяемых в машиностроительной и авиакосмической отраслях.
Актуальность и новизна исследования
Хорошо известно, что механические свойства и структура как внешней, так и внутренней поверхности отдельных промышленных изделий существенно влияют на их функциональные возможности, надежность, свойства и ресурс работы конечного изделия. В современных условиях нанесение различных покрытий (антифрикционных, защитных и др.) прочно вошло в технологические процессы самых разных отраслей. При этом, такой обработке подвергаются не только наружные, но и внутренние поверхности сложных узлов и агрегатов (камеры сгорания двигателей, газоотводящие каналы ракетных двигателей и пр.). Очень часто такие участки характеризуются, во-первых, достаточно малыми диаметрами входных отверстий (от 9 мм), а, во-вторых, существенным удалением (до 2000 мм) от входного отверстия. Сегодня на рынке отсутствуют приборы, позволяющие в таких условиях провести диагностику наношероховатости, твердости и модуля упругости (Юнга). Это означает существенное препятствие для внедрения новых методов подготовки внутренних поверхности и замедляет серийное внедрение новых технологий обработки поверхностей в ответственных технологических процессах.
С использованием экспериментального образца специализированного нанотвердомера-профилометра разработаны новые методики измерения модуля упругости (Юнга), твердости и параметров наношероховатости. Предложен метод получения дополнительной информации о механических и геометрических свойствах внутренних поверхностей, основанный на методе силовой спектроскопии.
Описание исследования

Были проведены исследования прибора в основных режимах работы: при измерениях методом инструментального индентирования, склерометрии, при определении отношения твердости к квадрату модуля упругости поверхности и в режиме измерения шероховатости. Измерения проводились на поверхностях, обладающих различными шероховатостями, на внутренних и внешних областях образцов, изготовленных из различных материалов (алюминий и сталь).

Исследования шероховатостей проводились при помощи ЭОСНП как на внутренних, так и на внешних поверхностях, исследования при помощи профилометра Профи – 130 были проведены только на внешних поверхностях, доступных к измерению. Каждый из полученных профилей обрабатывался с целью получения параметров шероховатости: Ra, Rz, Rq. Данные совпадают аналогичных измерений совпадают с точностью ~ 10%. Профилограммы, полученные при помощи ЭОСНП обладают более высоким пространственным разрешением, так как были получены с использованием более острой иглы.

Исследования методом инструментального индентирования проводились также как на внутренних так и на внешних поверхностях образцов. Полученные данные подтверждают возможность измерения твердости и модуля и соответствуют таковым, полученным при помощи твердомера Shimadzu, однако используемый диапазон нагрузок до 60 мН не позволяет углубиться на величину много большую шероховатости поверхности. В соответствии с ГОСТ Р 8.748-2011 подобные измерения возможны только на достаточно гладких поверхностях, или же требуют приложения нагрузки, значительно превышающей установленный диапазон 60 мН.

Вместе с тем, данное влияние может быть значительно снижено при наличии априорной информации о модуле упругости поверхности: как следует из полученных данных, использование модельных представлений и информации о контактной жесткости позволяет преобразовать полученные зависимостями со значениями, расположенными вдоль кривых гиперболического вида в прямые зависимости с постоянным значением.

Измерения при помощи метода склерометрии (царапания), были основаны на трехпроходной методике: в процессе первого прохода происходит сканирование рельефа поверхности, на втором проходе происходит непосредственное царапание поверхности с поддержанием постоянной нагрузки, на последнем этапе производится измерение остаточной деформации. Трехпроходный метод измерения твердости материалов продемонстрировал хорошую воспроизводимость результатов и соответствие получаемых данных о твердости величинам твердости определенным другими методами, в том числе методом инструментального индентирования. Отличительной особенностью данного метода является его работоспособность на поверхностях с высоким уровнем шероховатости. Дополнительной особенностью метода склерометрии является возможность проведения измерений имитирующих процесс реального истирания рабочих поверхностей машиностроительных изделий. Речь идет о многократном царапании, то есть истирании поверхности и возможности использования инденторов из материалов, отличных от алмаза и более близких по физическим свойствам к реальным фрикционным парам.

Измерения отношения твердости к квадрату модуля упругости проводятся следующим образом: возбуждаются колебания зонда на частоте порядка 10 кГц, колеблющийся зонд подводится и внедряется в поверхность. В процессе внедрения записывается зависимость сдвига резонансной частоты колебаний, а также среднего значения приложенной силы. На основании зависимости, полученной на предыдущем этапе работ, данные сигналы позволяют рассчитывать приведенное значение модуля упругости. Данные измерения также проведены на различных образцах и показали возможность измерения свойств материала на небольших глубинах, методика может быть рекомендована для измерения свойств тонких функциональных покрытий. Применение данного метода вместе с методом склерометрии позволяет измерять совокупность свойств (твердость и модуль упругости) для образцов с развитой шероховатостью.

Результаты исследования

Проведен анализ и систематизация набора экспериментальных данных, полученных с помощью экспериментального образца специализированного нанотвердомера-профилометра (ЭОСНП). Результаты теоретических исследований сопоставлены с математическим моделированием и результатами реальных экспериментальных исследований. Сделаны выводы о применимости каждого из методов для исследованных типов образцов в зависимости от состояния их поверхности. Разработаны методики калибровки и поверки ЭОСНП при измерении линейных размеров и параметров шероховатости профилей. Выявлены недочеты конструкции и проведена корректировка документации. Выявлены способы улучшения метрологических характеристик прибора.

В соответствии с проведенной оценкой решение задач, поставленных в ПНИ, является полным, заявленные цели достигнуты. Полученные результаты являются эффективными в сравнении с современным научно-техническим уровнем.

Существующие сегодня приборы для измерения твердости, модуля упругости (Юнга) и параметров шероховатости по своей компоновке и типу используемых датчиков предназначены исключительно для исследования плоских образцов, которые помещаются внутри измерительного прибора. Созданный ЭОСНП  не имеет мировых аналогов, поскольку характеризуется исключительно .малым размером измерительной головки, не достижимым для других приборов. Основным моментом, обеспечивающим новизну применяемого технического решения, является использование камертонного пьезокерамического резонатора в двух рабочих режимах: автогенераторного возбуждения и квазистатического изгиба.

Новым и не описанным в доступной литературе является подход, позволяющий на основании величины и характера случайного разброса экспериментальных данных по твердости и модулю упругости судить об уровне шероховатости исследуемой поверхности и величине смещения получаемых среднеарифметических значений твердости и модуле упругости материала.

Проведены испытания с целью выработки рекомендаций по возможности использования результатов ПНИ в реальном секторе экономики и оценки потребности промышленности в ЭОСНП.

Разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка промышленного производства портативных измерительных приборов для контроля качества поверхностей открытых и глухих каналов для применения в машиностроении и авиакосмической отрасли»

Проведен обзор имеющегося парка приборов для измерения твердости конструкционных материалов. Сформирована рекламная стратегия вывода на рынок нового специализированного нанотвердомера-профилометра. Проведена оценка РИД, полученных при выполнении ПНИ. Проведены маркетинговые исследования.

Проведены испытания с целью формирования предложений по доработке ЭОСНП для расширения функциональных возможностей специализированного нанотвердомера-профилометра. Данные предложения направлены на особенности применения прибора для исследования тонких пленок и покрытий, нанесенных различными способами на поверхности деталей.

Закуплено оборудование для обеспечения работ по ПНИ.

Практическая значимость исследования
Основная область применения результатов ПНИ: транспортное машиностроение. Разрабатываемые устройства будут применяться для целей контроля параметров металлов, сплавов, модификаторов и лигатур с повышенными конструкционными и функциональными свойствами, материалов с повышенной механической прочностью и химической стойкостью для различных видов транспорта, в том числе для авиационно-космических технологий, судо- и автомобилестроения.
Практическое внедрение результатов ПНИ планируется в виде контрольно-измерительной аппаратуры, адаптированной к применению на перечисленных выше объектах с целью диагностики их состояния как на стадиях внедрения новых технологических процессов различной обработки поверхностей (нанесение функциональных покрытий различного назначения – износостойких, антифрикционных, защитных), так и на стадиях эксплуатации с целью определения или прогнозирования их ресурса.
Контроль технологических процессов является одним из важнейших этапов отработки и внедрения новых технологий в реальном секторе экономики. В настоящее время не существует прямых методов контроля параметров рельефа и механических свойств на внутренних поверхностях каналов на достаточном удалении от входного отверстия. Как правило, оценка качества поверхностей проводится косвенных способом, либо не проводится вовсе, либо оценивается из средних параметров самого процесса модификации поверхности. Инструмент, позволяющий проводить прямые измерения, позволит получить существенно больше информации, что приведет к значительному прогрессу в развитии соответствующих технологий.
Эффект от внедрения результатов проекта проявляется через существенное повышение эффективности использования новых технологий модификации поверхностей за счет совершенствования методов диагностики их свойств, что приводит к увеличению срока службы и надежности эксплуатации изделий за счет обеспечения прямых методов контроля состояния рабочих поверхностей ответственных деталей.