Алматы 2017 январь

 

●

 Технические науки 

 

340                                                                                            

№1 2017 Вестник КазНИТУ 

 

























3

3

4

k

b

1

)

b

(

1

G

3

M

2



. 

 

Ол 

К

М

бұралу моменті кезіндегі коэффициенттің кері шамасына тең, яғни 

 





















3

3

4

b

1

)

b

(

1

2

G

3

c



. 

 

Сонымен,  1-суретте  көрсетілген  параметрлері  бірқалыпсыз  таралған  (сырықтың  массасы)  нақ-

ты механикалық жүйені дискретті жүйе түріндегі динамикалық модельмен (2-сурет) алмастыруға бо-

лады. Бұл осы секілді жүйелердің бұралу тербелістерін зерттеуді айтарлықтай жеңілдетеді 

                                                                   

ӘДЕБИЕТ 

[1] Бутенин Н.В., Лунц Я.Л., Меркин Д.Р. Курс теоретической механики. – Санкт-Петербург: Лань, 2009. 

– 736 с. 

[2] Омаров  Т.И.    Динамика  механизмов  переменной  структуры  рельсовых  машин.  –  Алматы:  КазНТУ, 

2014. – 225 с.  

[3] Степин Г.С. Сопротивление материалов: Краткий учебник. – М.: Наука, 1987. – 234 с.   

 

Омаров Т.И., Кырыкбаев Б.Ж.  

Определение приведенного момента инерции и крутильной жесткости стержня переменного попе-

речного сечения 

Резюме. Данное исследование проводилось для составления динамической модели стержня переменного 

поперечного  сечения  (системы  с  распределенными  параметрами)  в  виде  дискретной  одномассовой  системы  с 

сосредоточенной  на  конце  приведенной  массой  (моментом  инерции),  связанной  с  закреплением  невесомым 

упругим стержнем, получены формулы, позволяющие определить приведенный момент инерции стержня и его 

крутильную жесткость.   

Ключевые слова. Переменное поперечное сечение, момент инерции, крутильная жесткость, кинетичес-

кая энергия. 

Omarov T.I., Kyrykbaev B.Zh. 

Determination of the reduced moment of inertia and torsional stiffness of the rod of variable cross-section 

Summary. This study was conducted to produce a dynamic model of the rod with a variable cross-section (sys-

tem with distributed parameters) in the form of discrete single-mass system with concentrated at the end of the reduced 

mass (moment of inertia) associated with fixing weightless elastic rod, obtained by the formula for determining the re-

duced moment rod inertia its torsional rigidity. 

Key words. A variable cross section, moment of inertia, torsional stiffness. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

●

 Техникалық ғылымдар 

 

ҚазҰТЗУ хабаршысы №1 2017                                          

341 

 

УДК 621.785.532 

 

1

М.К. Скаков, 

2

Е.Е. Сапатаев 

(

1

Филиал «Институт атомной энергии» Национального ядерного центра Республики Казахстан,  

Курчатов, Республика Казахстан, 

2

Восточно-Казахстанский государственный технический университет им. Д.Серикбаева 

Усть-Каменогорск, Республика Казахстан 

sapatayev@gmail.com)

 

 

ЛОКАЛЬНОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ 

КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ 

 

Аннотация.  В  данной  работе  изложены  оптимальные  режимы  и  описание  технологического  процесса 

локального модифицирования поверхности конструкционных сталей при воздействии электролитной плазмой. 

Ключевые слова: электролитно-плазменная обработка, модификация поверхности, локальная обработка. 

 

Введение 

Известно, что износ и повреждение поверхности материала снижают сопротивление усталости 

деталей и могут служить причиной их разрушения при весьма низких напряжениях [1]. Зачастую при 

эксплуатации деталей машиностроения интенсивному износу подвергаются только отдельные высо-

конагруженные  их  участки,  к  примеру,  контактная  поверхность  зубьев  зубчатого  колеса,  место  по-

садки  под  подшипник  на  валу  и  др.  В  этих  случаях  более  целесообразно  упрочнить  лишь  рабочую 

поверхность детали.  

Особенностью изнашивания зубчатых колес является то, что в этот процесс вовлечены тонкие 

поверхностные слои, и износ развивается в локальных зонах – контактных участках поверхности [2]. 

Это предопределяет необходимость выполнения локальной упрочняющей обработки таким образом, 

чтобы достигнуть максимальной износостойкости именно в этих зонах, так как свойства материала за 

их пределами не оказывают существенного влияния. Кроме того, применение локальных методов по-

верхностной  упрочняющей  обработки  обеспечивает  возможность  гибкого  изменения  уровней  фор-

мируемых характеристик материалов при переходе граничных зон между участками рабочих поверх-

ностей и остальных участков детали. 

Эксперименты  по  изучению  энергетических  характеристик  электролитного  (катодного)  нагре-

ва,  гидродинамических  условий  течения  электролита  и  определение  оптимальных  режимов  локаль-

ного модифицирвоания при воздействии электролитной плазмой нами были выполнены на установке 

электролитно-плазменной обработки, разработанной на базе НИИ «Нанотехнологии и новые матери-

алы» ВКГТУ им. Д.Серикбаева совместно с ТОО «ТехноАналит» [3]. 

 

Выбор оптимальных режимов локального модифицирования 

Известно, что как для анодного, так и для катодного электролитного нагрева требуется опреде-

ленная  электропроводность  электролита,  что  достигается  наличием  в  растворах  соответствующих 

компонентов  [4].  Электролиты,  предназначенные  для  химико-термической  обработки,  должны  со-

держать вещества, обеспечивающие присутствие насыщающих компонентов в парогазовой оболочке. 

Кроме  вышеуказанных  требований  имеются  еще  некоторые  требования,  обеспечивающие  благопри-

ятное протекание процесса обработки.  

В  работе  [5]  описано  снижение  градиента  температуры  путем  применения  струйного  течения 

электролита,  которое  в  конечном  итоге,  способствует  формированию  равномерного  распределения 

эксплуатационных свойств на обработанной поверхности. Установлено, что путем изменения скоро-

сти  течения  электролита  можно  не  только  интенсифицировать  достижение  требуемой  температуры 

нагрева, но и изотермически выдерживать заданную температуру для осуществления процесса хими-

ко-термической обработки.  

Условия благоприятного протекания процесса химико-термической обработки зависит не толь-

ко  от  энергетических  и  гидродинамических  параметров,  но  и  от  молекулярных  свойств  жидкости, 

которые, в свою очередь, зависят от состава и концентрации рабочего электролита.  

К  составу  электролитов,  используемых  при  катодном  нагреве,  предъявляются  некоторые  тре-

бования,  обеспечивающие  благоприятное  протекание  процесса.  Прежде  всего,  электролит  должен 

 

●

 Технические науки 

 

342                                                                                            

№1 2017 Вестник КазНИТУ 

 

иметь  весьма  высокое  значение  электропроводности.  Кроме  того  электролит  должен  быть  безопас-

ным в работе, и не улетучим, в  противном случае при интенсивном кипении могут выделяться ядо-

витые соединения и привести к неустойчивости парогазовой оболочки.  

Одним из наиболее употребляемых и дешевых электролитов,  удовлетворяющих всем вышепе-

речисленным требованиям, являются электролиты на основе карбоната натрия [6, 7]. В основном ис-

пользуется водные растворы карбоната натрия различных концентраций (от 8 до 20 % по масс.). 

Электролиты,  предназначенные  для  химико-термической  обработки,  должны  обладать  всеми 

перечисленными  свойствами,  а  также  содержать  вещества,  обеспечивающие  присутствие  насыщаю-

щих  компонентов  в  парогазовой  оболочке.  По  данным  авторов  [8],  для  насыщения  сталей  азотом 

успешно  используются  электролиты,  содержащие  карбамид,  аммиак,  метиламин  и  т.д.  Однако  по-

следние две из них являются токсичными и экологически небезопасными соединениями. Только кар-

бамид (мочевина) является экологически безопасным, и может растворяться в воде до 52 %(при 20°С) 

и является высококонцентрированным азотом вещество (до 46 %).  

С целью изучения зависимости удельной электропроводности водного раствора натрия карбо-

ната и  карбамида  от  концентраций  компонентов,  нами  были проведены  кондуктометрические  изме-

рения с компенсацией температуры.  

На  рисунке  1  представлены  зависимости  удельной  электропроводности  карбоната  натрия  и 

карбамида  от  концентрации  веществ  в  дистиллированной  воде,  где  показана,  что  удельная  электро-

проводность карбоната натрия возрастает прямолинейно с увеличением его концентрации, что свой-

ственно  сильным  электролитам.  Водный  раствор  карбамида  относится  к  слабым  электролитам,  так 

как изменение значение электропроводности находится в узких пределах (до 0,6 мСм/см). Поэтому, в 

двухкомпонентном электролите основную электропроводность обеспечивает карбонат натрия. 

 

 

 

а) карбонат натрия 

б) карбамид 

Рис. 1. Зависимость удельной электропроводности от концентрации раствора карбоната натрия (а)  

и карбамида (б) 

 

Экспериментальным путем нами установлено, что для обеспечения стабильного свечения паро-

газовой  оболочки  при  струйном  течении  электролита,  электропроводность  электролита  должна  со-

ставлять  в  пределах 

χ=140÷170 мСм/см,  что  соответствует  интервалу  концентрации  12-16%.  Также 

установлено, что максимальная концентрация карбамида в двухкомпонентном растворе при комнат-

ных температурах может составлять 20-22 %.  

На основе проведенных исследований нами был разработан способ обработки образцов из ста-

ли  40Х в  электролитной  плазме  при  струйных  течениях  электролита, позволяющий  сформировать  в 

поверхностных слоях модифицированные слои, состоящие из поверхностного нитридного слоя, тол-

щиной  порядка  50÷70  мкм  с  высокой  микровтердостью  1000-1100  HV0.1  и  упрочненного  слоя  из 

мелкозернистого мартенсита с повышенной микротвердостью 850 HV0.1, толщина которого достига-

ет 3,3 мм [9, 10]. Рентгенофазовый анализ показал, что после азотирования и последующей нитроза-

калки при температуре 800°С на поверхности стали 40Х формируется нитридный слой 

,  состоящей 

из дисперсных нитридов железа FeN

0.095 

и Fe

3

N в матрице азотистого мартенсита. Дальнейшее увели-

чение температуры насыщения приводит к растворению FeN

0.095

.  

 

●

 Техникалық ғылымдар 

 

ҚазҰТЗУ хабаршысы №1 2017                                          

343 

 

Процесс обработки включает: скоростной нагрев детали до 100°С/с, изотермическую выдержку 

в азотосодержащей среде в течение 7 мин., с последующим охлаждением в потоке электролита (нит-

розакалка). Схема и режимы процесса обработки показаны на рисунке 2. 

 

 

Рис. 2. Иллюстративная схема и режимы процесса обработки в электролитной плазме материала из стали 40Х 

 

Описание технологического процесса 

Разработанный  нами  способ  скоростного  локального  нагрева  и  изотермической  выдержки,  и 

анализ  проведенных  исследований  по  влиянию  процесса  азотирования  при  локальном  воздействии 

электролитной  плазмой  на  строение,  фазовый  состав  и  комплекс  физико-механических  свойств  по-

верхности  конструкционных  низколегированных  сталей  (на  примере  40Х),  позволяют  выработать 

практические  рекомендации  по  применению  технологии  локального  модифицирования  деталей,  ра-

ботающих в различных условиях эксплуатации. 

Технологический процесс локального модифицирования при воздействии электролитной плаз-

мой  состоит  из  следующих  основных  этапов:  1)  предварительная  подготовка  обрабатываемой  по-

верхности детали; 2) загрузка обрабатываемой детали в рабочую камеру установки; 3) локальное мо-

дифицирование при воздействии электролитной плазмой.  

Предварительная подготовка 

Подготовка  поверхности  обрабатываемой  детали  перед  операцией  локального  модифицирова-

ния зависит от состояния поверхности поступающих для обработки детали и требований, предъявля-

емых к поверхности готовых изделий. Детали до проведения процесса локального модифицирования 

должны  иметь  окончательным  размеры  обрабатываемой  поверхности,  так  как  при  последующем 

шлифовании  может  быть  сняты  поверхностные  модифицированные  слои  (нитридная  зона).  Тем  не 

менее,  допускается  после  локального  модифицирования  незначительная  полировка  для  получения 

блестящей глянцевой поверхности.  

Предварительная подготовка обрабатываемой поверхности проводится с целью удаления видимых 

органических загрязнений и очистку поверхности детали осуществляемой в ультразвуковой ванне. В ка-

честве  органического  растворителя  применяется  бензин  или  ацетон  технических  марок.  Все  последую-

щие операции с обезжиренными деталями производятся с хлопчатобумажными перчатками. 

Обрабатываемую деталь закрепляют в узел крепления координатного устройства, позволяюще-

го  перемещать  обрабатываемую  поверхность  детали  относительно  сопла  электролитической  ячейки 

(плазматрона). Затем обрабатываемая деталь перемещается (вращается) в начальную зону обработки 

по заданной координате.  

Перед  началом  работы  рабочая  ванна  заполняется  рабочим  электролитом,  состоящего  из  вод-

ного раствора 10%-ного карбоната натрия и 20%-ного карбамида. Электролит приводится в циркуля-

ционное движение путем выкачивания погружным насосом, размещенного на дне ванны, и через па-

трубки  поступает  в  электролитическую  ячейку  и  через  сопло  подается  на  обрабатываемую  поверх-

ность в виде струи, и излишки электролита обратно выливаются в рабочую ванну. Процесс модифи-

 

●

 Технические науки 

 

344                                                                                            

№1 2017 Вестник КазНИТУ 

 

цирования  следует  начинать  после  выравнивания  температуры  и  обеспечения  ламинарного  беспу-

зырькового течения электролита из сопла электролитической ячейки. 

Процесс  локального  модифицирования  при  воздействии  электролитной  плазмой  состоит  из 

следующих операций: 

Скоростной  электролитный  нагрев  осуществляется  для  нагрева  обрабатываемой  поверхно-

сти детали до требуемой температуры 800°С, достаточного для проведения процесса диффузионного 

насыщения  ионами  азота.  Нагрев  осуществляется  при  напряжении  320В  и  при  электропроводности 

рабочего электролита 160±5 мСм/см, и в течение нескольких секунд достигается требуемая темпера-

тура нагрева. При этом расход электролита принимает минимальное значение и равно 0,7 л/мин. 

Изотермическая  выдержка  обрабатываемой  поверхности  детали  при  температуре  800°С  ин-

тенсифицирует диффузионное насыщение азотом поверхностных слоев и приводит к формированию 

требуемого фазового состава, отвечающего за повышение износостойкости поверхности детали [11]. 

Выдержка осуществляется при повышенном расходе электролита 2,5÷4 л/мин в течение 7 минут, где 

электропроводимость рабочего электролита плавно понижается до 140 мСм/см, при равных условиях 

других параметров.  

После  изотермической  выдержки,  обрабатываемый  участок  детали  охлаждается  в  струе  элек-

тролита до  его температуры, тем самым, осуществляется процесс закалки (нитрозакалка). Затем, ко-

ординатное устройство выставляет следующую зону  обработки по заданной траектории движения и 

повторяется весь процесс локального модифицирования. 

Размещение  обрабатываемых  участков  зависит  от  траектории  перемещения  изделия  относи-

тельно сопла электролитической ячейки (плазматрона) путем дискретного или непрерывного скани-

рования  обрабатываемой  поверхности  изделия  (рисунок  3).  Выходное  сопло  электролитической 

ячейки может иметь любую геометрическую форму, которая, соответственно, сформирует вид обра-

ботанного участка поверхности. Например, сопло плазматрона в форме эллипса сформирует соответ-

ствующие  по  форме  участки,  которые  можно  дискретно  разместить  по  винтовым  линиям  (см.  рису-

нок  3  а),  или  по  форме  круга  в  шахматном  порядке  (см.  рисунок  3  б).  Непрерывное  перемещение 

плазматрона  или  изделия  относительно  друг  друга  обеспечивает  формирование  на  обрабатываемой 

поверхности  винтовых  линий  с  различными  углами  подъема  (см.  рисунок  3  в,  г).  Характерным  для 

формы  упрочненных  участков  является  небольшие  размеры  участков  или  ширины  винтовых  линий 

от 10 до 25 мм, что обуславливает формирование слоя со сжимающими напряжениями. Относительно 

невысокая  скорость  нагрева  обеспечивает  формирование  локальных  упрочненных  модифицирован-

ных участков без плавления поверхности. 

 

 

 

а) участки в виде эллипсов, размещенных по винтовой линии;  

б) участки в виде круга, размещенные в шахматном порядке;  

в), г) полосы обработанной поверхности под различными углами 

 

жүктеу/скачать 28,19 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: