Дисертації та автореферати кафедри прикладної механіки та інженерії матеріалів
Permanent URI for this collectionhttp://er.nau.edu.ua/handle/NAU/35003
Browse
Recent Submissions
Item Триботехнічні властивості сталі 12Х18Н10Т, поверхнево модифікованої комбінованими покриттями(Національний авіаційний університет, 2018-09) Гуменюк, Ігор АнатолійовичГуменюк І.А. Триботехнічні властивості сталі 12Х18Н10Т, поверхнево модифікованої комбінованими покриттями. – На правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю: 05.02.04 – тертя та зношування в машинах (13 – Механічна інженерія). Національний авіаційний університет, МОН України, Київ, 2018. Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуального науково-технічного завдання підвищення зносостійкості поверхневих шарів корозійностійкої сталі 12Х18Н10Т шляхом формування зносостійких комбінованих дифузійних, електроіскрових та композиційних електролітичних покриттів дискретного і градієнтного типу та встановлення закономірностей впливу їх структурно-фазового складу, фізико-механічних властивостей і параметрів структури на триботехнічні характеристики. Дослідженні закономірності формування та механізми зношування багатокомпонентного хромоалітованого покриття в умовах тертя ковзання без змащення в залежності від хімічного і структурно-фазового складу. Представлено та описано результати експериментальних досліджень технологічного процесу азотування попередньо обробленої дискретно лазером сталі 12Х18Н10Т. Встановлено закономірності зношування від параметрів дискретної структури. Досліджено закономірності формування високотемпературним відпалом триботехнічних властивостей електроіскрових і композиційних електролітичних покриттів з евтектичним наповнювачем від ступеня нерівноважності структурно-фазових станів. Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено вплив дифузійної перехідної зони між твердим наповнювачем і м’якою матрицею на напружено-деформований стан та зносостійкість композиційних електролітичних покриттів. На основі енергетичної моделі трибопроцесу виконано аналітичне дослідження умов утворення частинок зносу в процесі фрикційного руйнування приповерхневих шарів композиційного покриття. Застосовуючи енергетичний підхід до оцінювання зносостійкості поверхневих шарів за умов їх руйнування при терті розроблено технологічний процес формування на сталі 12Х18Н10Т градієнтного покриття з високою припрацьовуваністю і зносостійкістю. Проведено статистичний аналіз та побудовано регресійні моделі залежностей критеріїв оптимізації.Item Формування триботехнічних властивостей композиційних електролітичних покриттів на основі нікелю створенням градієнтних структур. Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук(Національний авіаційний університет, 2007-03) Корнієнко, Анатолій ОлександровичДисертацію присвячено розробленню градієнтних композиційних електролітичних покриттів зміцнених макро- та наночастинками з керованими триботехнічними властивостями. Проведено аналітичні дослідження напружено-деформованого стану одно- та багатошарових градієнтних КЕП, навантажених силами тертя. Експериментально встановлено оптимальні щодо зносостійкості будову та режими нанесення КЕП Ni-SiC. Визначено вплив кількості та розміру частинок наповнювача на триботехнічні властивості покриттів. Проведенням експериментальних досліджень впливу градієнта будови КЕП на триботехнічні властивості встановлено, що більш високою зносостійкістю характеризуються градієнтні КЕП з “прямим” градієнтом будови, що узгоджується з теоретичними розрахунками напружено-деформованого стану. Дослідженнями встановлено, що із введенням одночасно макро- та наночастинок в КЕП значно підвищується зносостійкість таких покриттів. Показано, що оплавленням покриттів Ni-SiC, які містять додатково бор, можна значно підвищити їх фізико-механічні властивості та зносостійкість. При цьому для оплавлення більш ефективним є застосування лазера, а створення дискретно-оплавлених покриттів дозволяє отримати значно вищі триботехнічні властивості порівняно з повністю оплавленими покриттями.Item Технологічне забезпечення підвищеної зносостійкості швидкорізальної сталі Р6М5 комбінованими методами поверхневого зміцнення(Національний авіаційний університет, 2018-03-01) Загребельний, Володимир ВікторовичЗагребельний В.В. Технологічне забезпечення підвищеної зносостійкості швидкорізальної сталі Р6М5 комбінованими методами поверхневого зміцнення. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю: 05.02.04 – тертя та зношування в машинах (13 – Механічна інженерія). Національний авіаційний університет, Київ, 2018 р. Дисертаційна робота присвячена вирішенню важливого актуального завдання підвищення зносостійкості поверхневих шарів різального інструменту зі швидкорізальної сталі Р6М5 шляхом формування зносостійких покриттів комбінованими методами та встановлення закономірностей впливу структурно- фазового складу та параметрів структури дискретних і градієнтних покриттів на фізико-механічні й триботехнічні властивості. Досліджено закономірності формування структури дискретно азотованої сталі Р6М5 залежно від схем попередньої дискретної лазерної обробки та технологічних параметрів азотування. Проведено аналітичні розрахунки напружено-деформова- ного стану. Встановлено закономірності й механізм зношування дискретно азото- ваної сталі Р6М5. Установлено закономірності зношування багатокомпонентних азотохромо- ваних та азототитанованих покриттів в умовах тертя ковзання без змащування в залежності від хімічного і структурно-фазового складу. Розроблено градієнтне покриття на основі Ti, Hf, Si, встановлено його триботехнічні властивості та механізм зношування. Було проведено статистичний аналіз та побудовано регресійні моделі залежностей критеріїв оптимізації. Розроблено триботехнологію нанесення іонно-плазмових покриттів TiN, яка дозволить підвищити теплостійкість сталі Р6М5, скоротити операції відпуску та підвищити її зносостійкість, а також досліджено триботехнічні властивості сталі Р6М5 з покриттям TiN, нанесеним за даною технологією. Установлено, що стійкість різального інстументу зі сталі Р6М5 після різних типів комбінованої обробки є вищою з тими покриттями, які мають вищу абразивну зносостійкість при терті в умовах не жорстко закріпленими абразивними частками.Item Технологічне забезпечення підвищеної зносостійкості швидкорізальної сталі Р6М5 комбінованими методами поверхневого зміцнення(Національний авіаційний університет, 2018-03-01) Загребельний, Володимир ВікторовичЗагребельний В.В. Технологічне забезпечення підвищеної зносостійкості швидкорізальної сталі Р6М5 комбінованими методами поверхневого зміцнення. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04 «Тертя та зношування в машинах» (13 – Механічна інженерія). – Національний авіаційний університет, Київ, 2018. В дисертаційній роботі вирішувалось науково-технічне завдання підвищення зносостійкості поверхневих шарів різального інструменту зі швидкорізальної сталі Р6М5 шляхом нанесення комбінованих дискретних і градієнтних покриттів та встановлення закономірностей впливу їх структурно-фазового складу, фізико-механічних властивостей та параметрів структури на триботехнічні характеристики. Рішення поставленого завдання сприяє впровадженню перспективних технологічних процесів модифікації поверхневих шарів різального інструменту у виробництво і дозволяє значно підвищити його триботехнічні властивості та зменшити витрати. Теоретичні дослідження проводилось на підставі фундаментальних положень трибології, теорії руйнування твердих тіл, структурно-енергетичної пристосованості матеріалів. Лабораторні випробування проводились в умовах тертя ковзання та не жорстко закріплених абразивних часток, а також визначали стійкість різального інструменту в умовах точіння. Методи багатофакторного планування експерименту та математичної статистики – для обробки результатів досліджень та виконання оптимізації технологічного процесу нанесення іонно-плазмового градієнтного покриття за триботехнічними критеріями. Внаслідок отриманих результатів при проведенні наукових та експериментальних досліджень зроблені такі висновки. Вперше розроблені технологічні процеси зміцнення поверхневих шарів сталі Р6М5 попередньою дискретною лазерною обробкою і наступним азотуванням і досліджені особливості їх структуроутворення. Показано, що лазерна обробка дозволяє прискорити процеси дифузії атомів азоту в поверхневі шари сталі Р6М5 , а також зменшити крихкість та збільшити твердість азотованого покриття. Встановлено, що вищу зносостійкість забезпечує сітчасто – стільникова схема в порівнянні з схемою острівного типу. Це обумовлено тим, що дискретні ділянки з різною твердістю і товщиною сприяють кращій припрацьовуваності покриття і мінімізують напруження при терті. Зносостійкість збільшується у 1.5-1.7 разів, коефіцієнт тертя зменшується в 1,4 - 2,2 рази. Встановлено механізм зношування РІ зі сталі Р6М5 після точіння сталі 30ХГСА. Виявлено, що на поверхні тертя є прояви абразивного і втомного зношування, які полягають у втисненні абразивної частинки, дряпання і виривів поверхневих шарів різального інструменту та утворення і поширення тріщин. Встановлено, що при комплексному насиченні поверхневих шарів сталі Р6М5 азотом і титаном та азотом і хромом формуються багатокомпонентні покриття. Показано, що зносостійкість сталі Р6М5 з багатокомпонентними покриттями зростає порівняно з азотуванням, а коефіцієнт тертя зменшується. За рахунок матеріалу покриття формуються вторинні структури, які мають оптимальні властивості, що сприяє підвищенню зносостійкості. Розроблено технологічний процес формування багатошарового градієнтного покриття на основі Ti, Hf і Si. Проведено багатокритеріальну оптимізацію процесу формування зовнішнього підшару верхнього шару. Встановлено механізм зношування градієнтного покриття. Випробування в умовах тертя ковзання без змащування та стійкості в умовах точіння показали підвищення зносостійкості інструменту з даним покриттям. За результатами експериментальних досліджень були побудовані математичні моделі залежностей триботехнічних характеристик багатошарового градієнтного покриття від конструктивних, технологічних та експлуатаційних факторів. Встановлено закономірності зношування сталі Р6М5 з різними типами комбінованої обробки в умовах абразивного зносу при терті не жорстко закріпленими абразивними частками, який має місце при експлуатації РІ, показано, що стійкість РІ є вищою з покриттями, які мають вищу абразивну зносостійкість. Розроблено триботехнологію комплексного підвищення експлуатаційних характеристик сталі Р6М5 при нанесенні іонно-плазмового покриття TiN, яка полягає у дискретній лазерній обробці в режимі оплавлення поверхні невідпущеного РІ з наступним відпуском загартованого інструменту при підвищених температурах 560 – 580 °C і суміщенням його з нанесенням покриттів. Результати випробувань іонно-плазмового покриття TiN нанесеного за даною технологією показали збільшення триботехнічних характеристик в порівнянні з типовою технологією. Наукова новизна роботи полягає в наступних основних положеннях: 1. Встановлено закономірності формування структури дискретно азотованої сталі Р6М5, які на відміну від існуючих враховують схеми попередньої лазерної обробки та технологічні параметри азотування. Встановлено, що оптимальною площею обробки є 60-75 %, що узгоджується з аналітичними розрахунками напружено-деформованого стану. 2. Запропоновано механізм підвищення зносостійкості і стійкості різального інструменту зі сталі Р6М5 за рахунок дискретної лазерної обробки за сітчасто-стільниковою схемою з наступним азотуванням, згідно якого комбіноване покриття виконує дві функції: тонкий, пластичний, азотований шар на не зміцненій попередньо лазером поверхні екранує безпосередній контакт матеріалів трибоспряження і забезпечує протікання процесу припрацювання з утворенням специфічних вторинних структур з високою стійкістю до температурно – силових впливів контактного фрикційного процесу. Дискретно зміцнені з високою твердістю азотовані ділянки забезпечують мінімальні напруження при терті та підвищену зносостійкість. 3. Вперше встановлено, що при азототитануванні на сталі Р6М5 формується покриття з шарів карбіду титану ТіС та нітриду титану TiN, а при азотохромуванні з шарів карбідів Cr23С6, Cr7С3 та нітриду хрому Cr2N. Показано підвищення зносостійкості в умовах тертя ковзання без змащування та абразивної зносостійкості сталі після азототитанування та азотохромування, при цьому додаткова лазерна обробка підвищує твердість сталі, яка є підкладкою під покриттям і забезпечує сприятливий напружено-деформований стан в системі основа-покриття при терті. 4. Розроблено багатошарове градієнтне покриття на основі Ti, Hf, Si та встановлено механізм його зношування. Висока зносостійкість якого на відміну від існуючих досягається співвідношенням компонентів у верхньому (зовнішньому) підшарі, за рахунок чого забезпечується правило додатнього градієнта механічних властивостей завдяки нижчій твердості і підвищеній пластичності порівняно з нижнім основним підшаром. Зовнішній прошарок утворює вторинні структури з високою стійкістю до температурно – силових впливів контактного фрикційного процесу і створює оптимальні умови для роботи основного матеріалу покриття. 5. Встановлено зв’язок між зносостійкістю комбінованих покриттів в умовах абразивного зношування не жорстко закріпленими частинками і зносостійкістю різального інструменту при експлуатації, комбіновані покриття з більшою абразивною зносостійкістю забезпечують вищу зносостійкість різального інструменту. Запропоновано визначати конструктивні параметри покриттів на різальному інструменті зі сталі Р6М5 дискретного і градієнтних типів на основі експериментальних досліджень в умовах тертя ковзання і абразивного зношування та результатів розрахунків напружено-деформованого стану, що виникає при терті робочої поверхні різального інструменту. Практичне значення одержаних результатів. Комбіноване покриття, яке включає лазерну обробку за сітчасто – стільниковою схемою з наступним азотуванням дозволило підвищити стійкість РІ зі сталі Р6М5 в 1,7-2,2. Розроблено та захищено деклараційними патентами України: спосіб отримання зносостійких покриттів з високою припрацьовуваністю і підвищеним опором втомному руйнуванню та градієнтне покриття з високою припрацьовуваністю і зносостійкістю. Розроблена триботехнологія комплексного підвищення експлуатаційних характеристик сталі Р6М5 при нанесенні іонно-плазмового покриття TiN, яка дозволяє підвищити теплостійкість сталі Р6М5 на 20 °C та температуру нанесення покриттів до 580 ˚С, що є оптимальною для нанесення зносостійких покриттів високої якості. Запропонований спосіб нанесення іонно-плазмового покриття TiN використано для зміцнення інструменту при точінні легованої термообробленої сталі ХВГ і дозволить скоротити витрати інструменту при обробці важкооброблюваних легованих сталей та отримати річний економічний ефект в сумі 45 000 гривень в рік.Item Механотронна система керування виплавкою титану(Міністерство освіти і науки України Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», 2018-04-17) Цибрій, Юрій ОлександровичЦибрій Ю.О. Механотронна система керування виплавкою титану. - На правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 – Машинознавство. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2018. Дисертація присвячена підвищенню ефективності процесу виготовлення титанових зливків при електронно-променевій плавці, що забезпечує збільшення продуктивності виплавки, покращення якісних характеристик зливків за рахунок узгодження взаємодії виконавчих пристроїв шляхом створення механотронної системи керування виплавкою титану зі зворотним зв’язком по температурі розплаву в проміжній ємності та по рівню розплаву в кристалізаторі. Розроблено нестаціонарну тривимірну математичну модель процесу в проміжній ємності електронно-променевої установки, в якій враховано зміну джерела нагріву та швидкості течії розплаву. Досліджено вплив швидкості течії розплаву, потужності обігріву та коефіцієнту розподілу по поверхні проміжної ємності на середню температуру розплавленого титану. За результатами моделювання запропоновано метод керування траєкторією руху електронного променю зі зворотним зв’язком по температурі розплаву, що забезпечує зменшення часу виплавки титанового зливку. Розроблено спосіб витягування зливку з кристалізатора з подачею додаткових коливань на зливок за допомогою гідравлічного мембранного виконавчого механізму. Досліджено вплив значень геометричних параметрів сталевої мембрани виконавчого механізму на її напружено-деформований стан та ресурс спрацювання. Отримано аналітичну залежність максимального напруження в сталевій мембрані від її геометрії в процесі подачі коливань. Запропоновано інженерну методику вибору раціональних геометричних параметрів гідравлічного мембранного виконавчого механізму. Використання запропонованої механотронної системи зі зворотним зв’язком по температурі розплаву в проміжній ємності і по рівню розплаву в кристалізаторі, у порівнянні з аналогічними показниками установки типу ВМО, дозволяє зменшити на 14% енерговитрати та підвищити продуктивність виплавки на 16%, а із врахуванням зменшення втрат на обробку титанового зливку підвищити загальну продуктивність процесу на 18%.Item Механотронна система керування виплавкою титану(Міністерство освіти і науки України Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», 2018-04-17) Цибрій, Юрій ОлександровичЦибрій Ю.О. Механотронна система керування виплавкою титану. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 - Машинознавство. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2018. Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-практичної задачі розробки механотронної системи керування виплавкою титанових зливків електронно-променевою плавкою, яка забезпечує підвищення ефективності роботи електронно-променевої установки завдяки ресурсо- та енергозбереженню при високій якості готових титанових зливків. В Україні промислове виробництво високоякісних титанових зливків пов’язане з вакуумно-дуговою, електрошлаковою, плазмовою та електронно-променевою плавкою. Остання вважається найбільш прогресивною технологією, завдяки високій степені очищення зливку від домішок, відсутності жорстких вимог по хімічному та фізичному складу шихтового матеріалу та можливість активного втручання в технологічний процес. Однак електронно-променева плавка має недостатньо високу продуктивність та є однією з найбільш енергозатратних. Через відсутність вимірювання температури титанового розплаву в проміжній ємності процес плавки суттєво залежить від вибору режиму обігріву оператором. Крім того, при витягуванні зливку з кристалізатора на його поверхні утворюються різноманітні дефекти, для усунення яких при обробці зливку втрачається до 10% його маси. Загальною причиною вищевказаних недоліків є неузгодженість керування процесом плавки, витягування зливку та подачі шихти в зону плавки. Тому розробка механотронної системи керування виплавкою титану при електронно-променевій плавці, яка узгоджує керування процесами виготовлення титанових зливків та підвищує їх ефективність шляхом зниження питомих енерговитрат та збільшення продуктивності виплавки, визначає мету дисертаційної роботи. Згідно поставленої мети при розробці механотронної системи для моделювання процесів в проміжній ємності електронно-променевої установки та напружено-деформованого стану мембран гідравлічного виконавчого мембранного механізму застосовано методи скінчених різниць та скінченних елементів. При моделюванні процесів в проміжній ємності використано метод дробових кроків рішення багатовимірних задач. При створенні алгоритмів керування траєкторією руху електронного променю в проміжній ємності та алгоритму витягування зливку з кристалізатора застосовані методи теорії автоматичного керування. Наукова новизна роботи дисертаційної роботи полягає в наступних положеннях: - вперше на основі розробленої нестаціонарної тривимірної математичної моделі тепло-масообміну в проміжній ємності при електронно-променевій плавці науково обґрунтовано застосування механотронної системи керування виплавкою титану, яка дозволяє обирати раціональні тепло-енергетичні характеристики процесу плавки титану з урахуванням подачі шихти та динаміки наплавлення зливку в кристалізаторі; - вперше на основі дослідження процесу плавки титану розроблено метод раціонального розподілу потужності обігріву розплаву в проміжній ємності електронно-променевої установки, за рахунок керування траєкторією руху електронного променю із зворотним зв’язком по температурі розплаву та положенню нерозплавленої шихти відносно зливного носка; - отримано залежності для вибору раціональних геометричних параметрів гідравлічного мембранного виконавчого механізму для подачі коливань на зливок в межах заданого ресурсу роботи, які враховують напружено-деформований стан сталевих мембран. Адекватність розробленої математичної моделі процесу в проміжній ємності, розрахунків напружено-деформованого стану мембрани, роботи алгоритмів керування траєкторією руху електронного променю та механотронної системи керування виплавкою титану вцілому підтверджена результатами моделювання, які були проведені за допомогою програмного пакету MATLAB, програмних пакетів інженерних розрахунків Ansys Mechanical APDL, Ansys Fluent та COMSOL Multiphysics. Розроблені комп’ютерні моделі можуть також бути використані для перевірки правильності вибору технологічних параметрів чи алгоритмів керування траєкторією руху електронного променю при плавці титанового розплаву в проміжній ємності, при виборі раціональних геометричних параметрів мембрани гідравлічного мембранного виконавчого механізму для забезпечення його необхідного ресурсу роботи. Практична цінність одержаних результатів полягає в наступному: - запропоновано механотронну систему керування виплавкою титану при електронно-променевій плавці зі зворотним зв’язком по температурі розплаву в проміжній ємності та по рівню розплаву в кристалізаторі, яка дозволяє, у порівнянні з ручним керуванням, підвищити на 18% ефективність роботи, у тому числі зменшити на 14% енергоспоживання, збільшити на 16% продуктивність виплавки та знизити втрати маси зливку при обробці поверхні до 7%; - розроблено алгоритм керування траєкторією руху електронного променю в ПЄ зі зворотним зв’язком по температурі за допомогою тепловізора, який дозволяє отримати однорідні температурні поля в діапазоні 1950…2200 К, розрахувати швидкість подачі шихти в зону плавки, і як результат – отримати зливок з необхідним хімічним складом; - запропоновано спосіб витягування зливку з кристалізатора з подачею додаткових коливань на нього (патент № 91877 України), який дозволяє за допомогою гвинтової передачі та гідравлічного мембранного виконавчого механізму здійснювати грубе та точне регулювання рівня розплаву в кристалізаторі, завдяки чому зменшується вірогідність розриву поверхні та отримання гофрів на готових зливках і знижуються втрати матеріалу при подальшій обробці зливків; - розроблено та запатентована конструкцію гідравлічного мембранного виконавчого механізму (патент № 91889 України) і запропоновано інженерну методику вибору його раціональних геометричних параметрів на основі розрахунку напружено-деформованого стану мембрани. Використання запропонованого способу керування траєкторією руху електронним променем при одночасні роботі декількох електронно-променевих гармат в процесі обігріву в проміжній ємності забезпечує підвищення витрати титанового розплаву в необхідному температурному діапазоні в кристалізатор, що дозволяє скоротити час на наплавлення зливку. Одержані в роботі практичні результати прийняті до впровадження на підприємствах ДП НВЦ «Титан» ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України (Київ) та ТОВ «Стратегія БМ» (Київ). Запропонована інженерна методика вибору раціональних геометричних параметрів, яка дозволяє оцінити довговічність існуючих і підвищити довговічність нових приводів подачі коливань, прийнята до впровадження на підприємстві ДНВК «КІА» (Київ). Новизну результатів дослідження захищено 2-ма патентами України на корисні моделі, зокрема системи витягування зливку з кристалізатору (Патент № 91877 України), а також конструкції гідравлічного мембранного виконавчого механізму двосторонньої дії (Патент № 91889 України). Результати дисертаційної роботи впроваджені в навчальний процес: кафедри прикладної механіки та машин Київського національного університету технології та дизайну при викладанні курсу «Мехатроніка в галузевому машинобудуванні» та «САМ-технології комп’ютерно-інтегрованого обладнання»; кафедри машинознавства Національного авіаційного університету при викладанні курсу «Details of Machines» та «Основи конструювання»; кафедри прикладної гідроаеромеханіки та механотроніки Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського» при викладанні лекційного курсу «Особливості проектування систем гідроавтоматики» та в курсі лабораторних робіт з дисципліни «Мікропроцесорне управління мехатронних модулів та систем».