Нанотехнология деталей машин

Московский  Государственный Открытый Университет  имени В.С.Черномырдина 
 
 
 

Реферат

Нанотехнология деталей машин 
 
 

     Выполнила:

     студентка 4 курса машиностроительного факультета  специальность  Шифр 308212 Любовкиной Иры Михайловны

Проверил : Никифоров А.Д. 
 
 
 
 

2011г. 

       Понятие «нанотехнология» напрямую связано с качественно новым уровнем развития технологии производства машин, причем обработка резанием в производстве машин занимает превалирующее положение, так как ее трудоемкость составляет свыше 90% трудоемкости размерной обработки.

     Особенно  актуально применение нанотехнологии в производстве суперточных деталей машин, таких как детали металлических зеркал лазерной техники, широко применяемые на различных участках рабочего тракта прохождения лазерного луча. Они должны иметь высокую отражательную способность, например, для зеркал из меди - свыше 99%, а высота неровностей шероховатости должна составлять 5 -3 нанометра. Рабочие поверхности алюминиевых подложек электронных приборов, детали адаптивной оптики, гироскопических устройств должны иметь нанометрические размеры шероховатости. Поэтому применение нанотехнологии обработки резанием, обеспечивающей необходимые параметры поверхностного слоя деталей, является весьма актуальным для машиностроения.

     Примером  применения нанотехнологии обработки резанием является изготовление элементов адаптивного зеркала диаметром около 4 метров, состоящего из набора металлических сегментов, созданного в США компанией TRB. Требуемое качество сегментов было обеспечено нанотехнологией обработки резанием.

     Однако  обработка супергладких суперточных металлических поверхностей имеет свою специфику, связанную с ее электронным строением.

     Свободные электроны при нарушении кристаллической  решетки в граничном слое выходят  на поверхность и образуют так  называемый двойной электрический  слой, который и определяет свойства (проводимость) верхнего граничного слоя. Причем наличие двойного электрического слоя определяет и процессы окисления  на поверхности металла, т.е. образование  пленок неметаллической проводимости, от которых и зависят свойства верхнего граничного слоя металлической  поверхности. Они могут быть значительно  больше по толщине, чем высота шероховатости  обрабатываемой поверхности.

     В связи с вышеизложенным образование двойного электрического слоя на металлической поверхности определяет степень нарушения в кристаллической решетке металла и может являться мерой его дефектности. Эти изменения на поверхности можно количественно оценить с помощью измерения работы выхода электрона, которая определяет величину работы по перемещению электронов на поверхности металла.

     Учитывая  это обстоятельство нами были разработаны теоретические основы нанотехнологии обработки резанием с применением оценки параметров поверхности по величине работы выхода электрона (РВЭ), так как она чувствительна к изменению физико-химического состояния поверхности.

     Разработанные нами теоретические положения, в  отличие от существующих, заключаются  в установлении взаимосвязей между  эксплуатационными характеристиками и технологическими параметрами с помощью интегральных параметров поверхностного слоя: фактора шероховатости и величины работы выхода электрона.

     При установлении взаимосвязей в качестве геометрических параметров были выбраны  волнистость, шероховатость (согласно ГОСТ) и параметр фактора шероховатости, а параметрами физико-химического  состояния поверхности приняты: структура, фазовое состояние, химический состав фаз и толщина неметаллической  пленки. 

Интегральными параметрами рассогласования выбраны: для геометрических характеристик  – фактор шероховатости F для физико-химических – φ – величина работы выхода электрона.

     Согласно  схеме информация о параметрах поверхностного слоя, соответствующая текущему состоянию  изделия, поступает вместе с техническими требованиями в коррелятор автоматизированной системы управления эксплуатационными  характеристиками. Коррелятор обрабатывает поступившую информацию, устанавливает  взаимосвязь через интегратор между  различными параметрами поверхности  и режимами обработки и выдает указания оборудованию с ЧПУ на установление режимов обработки. Тем самым  определяется дальнейшая стратегия  нанообработки, направленная на достижение заданных эксплуатационных характеристик на примере обеспечения максимальной отражательной способности лазерных зеркал.

     Для прояснения процедуры использования  интегральных параметров рассогласования  F и φ рассмотрим граничный поверхностный слой. Фактор шероховатости показывает отношение площади гладкой замыкающей части впадины к площади шероховатой части впадины F =Fг /Fш.Он учитывает не только высоту шероховатости, высоту субмикрошероховатости, но и полноту впадин (выступов) шероховатости. На практике этот фактор определяется из профилограмм и электронных снимков. Анализ значений фактора шероховатости на поверхностях деталей после различной обработки показал, что при высоте шероховатости Rа ≤ 100 нм его величина практически равна 1. Поэтому его можно использовать как интегральный параметр при получении высоты шероховатости не менее 100 нм.

     При уменьшении высоты шероховатости менее 100 нм интегральным параметром рассогласования  принята величина РВЭ, которая на практике измеряется через величину контактной разности потенциалов.

     Исследования  показали, что величина РВЭ может  оценивать любое изменение физико-химического  состояния в результате обработки  поверхности.

     На  практике для обработки деталей  машин применяют как нанотехнологию абразивной обработки, так и нанотехнологию лезвийной обработки.

     Для наноабразивной обработки разработаны технологические среды на основе ультрадисперсных абразивов оксида алюминия (УДА), которые получаются газодисперсным синтезом (ГДС), суть которого заключается в синтезе УДА в зоне горения ламинарного двухфазного факела газовзвесей металлических порошков в кислородосодержащем газе. При этом полностью реализуются возможности системы металл-кислород и достигаются высокие температуры, необходимые для синтеза оксидов металлов за счет тепловыделения от собственных химических реакций.

     Частицы УДА имеют сферическую форму  диаметром около 100 нм. Сглаживающий эффект, который оказывает абразивная суспензия с наличием сферического абразива позволяет уменьшить резание-царапание поверхности и перейти к эффекту микровыкатывания и тем самым обеспечивает высоту шероховатости 5 -3 нм.

     Для нанотехнологии лезвийной обработки разработано специальное оборудование и средства технологического обеспечения.

     При нанотехнологии точность траектории движения резца должна соответствовать расчетной траектории с точностью до 10 -5 нанометров. Точность вращения шпинделя или стола с обрабатываемой деталью должна быть того же порядка. Для обработки применяют анкерные резцы с прямолинейной режущей кромкой (фацеткой).

     Процесс обработки фацеточным резцом состоит из двух составляющих – резания и выглаживания. При перемещении вдоль обрабатываемой поверхности при подаче, намного меньшей, чем длина l фацетки (S< l), фацетка многократно проходит по обрабатываемой поверхности, либо подрезая, либо приминая неровности, возникающие в процессе резания. Совмещение этих двух процессов позволяет получить поверхность с Rа≤ 100 нм. Высота шероховатости поверхности при обработке таким резцом

     В России созданы станки для наноточения моделей МК 6511, МК 6512, МК 6513, МК 6514, МК 6516, МК 6501, МК 6502, МК 6521Ф3, МК 6522Ф3. На таких станках была обеспечена высота шероховатости поверхности 5-3 нм при обработке мягких материалов. Созданные модели станков позволяют обрабатывать плоские, цилиндрические, конусные, сферические и асферические поверхности диаметром до 500 мм и высотой до 150 мм. На специально созданном стенде было обработано плоское зеркало диаметром 1200 мм, а на станке МК 6562 можно обрабатывать цилиндрические поверхности диаметром до 400 мм и длиной до 800 мм.

     Главной проблемой, которую необходимо решить при построении особо точных станков, является вибрация, как внешняя, идущая на станок через фундамент, так и  внутренняя, возникающая от работы узлов и систем самого станка.

     Особенностью  конструкции таких станков является применение аэростатических опор и  инерционных приводов, которые позволяют  решать проблему внешней и внутренней вибрации.

     Комплект  оборудования строится по агрегатно-модульному принципу с уровнем унификации узлов  и деталей до 80%. Оборудование, входящее в комплект, может изготовляться  как с ЧПУ, так и с ручным управлением.

     Базовым станком в указанном комплекте  оборудования является сверхточный  станок с ЧПУ для обработки  наружных и внутренних поверхностей тел вращения, а также сферических  и асферических поверхностей, имеющий следующие параметры обработки:

     Наибольший  диаметр заготовки, мм 300

     Наибольшая  длина заготовки, мм 200

     Дискретность  обработки перемещения по осям X и Z , нм 10

     Шероховатость обрабатываемой поверхности, Rz, нм 10-5

     Станок  скомпонован следующим образом. На станине Т-образной формы установлены  два суппорта. Один перемещается по оси Х (инструментальный суппорт), другой – по оси Z (суппорт шпиндельного узла). Т-образное расположение суппортов позволяет уменьшить высоту расположения оси шпинделя над станиной, более равномерно распределить нагрузки на суппорты, перемещающиеся по осям X и Z, увеличить жесткость несущей системы станка. Т-образная станина установлена на пневматических опорах.

В исполнительных органах станка использованы аэростатические  опоры, бесконтактные магнитные  передачи винт-гайка, а также демпферы, основанные на сверхвязких жидкостях. 

Заключение.

Машиностроение, в основном, является потребителем как наноструктурных, так и наноструктурированных материалов, и нанотехнологий;

отечественный уровень разработок наноматериалов и нанотехнологий для машиностроительных отраслей соответствует мировому, а порой и превосходит его;

нанотехнологии и наноматериалы могут найти применение во всех технологических переделах машиностроительного производства: литейное (ультразвуковые нанотехнологии подготовки формовочных материалов и изготовления гипсовых форм с повышенными физикомеханическими свойствами для цветного литья [15], влияние наносекундных электромагнитных импульсов на расплавы цветных металлов [16] и др.), кузнечнопрессовое, сварочное, инструментальное производства, термообработка, гальваника, сборка, нанесение изно, коррозионностойких, лакокрасочных, воодоотталкивающих и других покрытий, а также при ремонте как технологического, так и выпускаемого предприятием оборудования;

тормозом для  освоения нанотехнологий и наноматериалов для машиностроения является как низкий технический уровень предприятий машиностроительных отраслей России, так и отставание России в производстве наноматериалов (нанопорошков, нанотрубок, фуллеренов и др.). Так, если, например, производство наноалмазных порошков серийно освоено на нескольких предприятиях (заводы в Ленинградской и Свердловской областях), то выпуск нанотрубок насчитывает единицы килограммов (нет спроса). В то же время на заводах стран Евросоюза объем производства нанотрубок – сотни тонн в год.

существующие  ставки банковского кредита делают невозможным рентабельное освоение инноваций;

недостаточное внимание вопросам обучения и повышения  квалификации специалистов – будущих  потребителей нанотехнологий и наноматериалов (в том числе руководителей и специалистов машиностроительных отраслей промышленности), а также пропаганде достижений в области наноиндустрии для машиностроения.