Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2016

ставленные на рисунке, для пяти типов материалов, где цифрами обозначен номер материала.

При гармоническом испытании были определены основные вязкоупругие параметры, необходимые для расчета конструкций: динамический модуль упругости E′ и динамический модуль вязкости E′′.

Из диаграмм на рисунке видно, что если при положительных температурах диссипативные и прочностные свойства материалов практически совпадали, то при отрицательных наблюдалось существенное различие. При этом максимумы диссипативных свойств материалов наблюдались в диапазоне от –20 до –40 °С.

По результатам полученных данных был проведен анализ механического поведения полимеров, произведенных на основе диизоцианатов с различными наполнителями, осуществлен выбор исходя из требований эксплуатации с необходимым запасом прочности и заданными диссипативными свойствами во всем диапазоне температур эксплуатации.

Финансирование проекта осуществлено в рамках выполнения базовой части госзадания № 3964 2014/152.

Список литературы

1.Yankin A.S., Slovikov S.V., Bulbovich R.V. Determination of the dynamic mechanical properties of low-modulus viscoelastic composites at the biharmonic law of loading // Composites: Mechanics, Computations, Applications. – 2013. – Vol. 4, is. 2. – P. 139–150.

2.Янкин А.С., Словиков С.В., Бульбович Р.В. Определение динамических механических свойств низкомодульных вязкоупругих композитов при бигармоническом законе нагружения // Механика композиционных материалов и конструкций. – 2013. –

Т. 19, № 1. – С. 141–151.

3.Методические вопросы экспериментальных исследований вязкоупругих наполненных полимерных композитов при сложных динамических циклических воздействиях / А.С. Янкин, С.В. Словиков, Р.В. Бульбович, В.Э. Вильдеман // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического уни-

верситета. Механика. – 2013. – № 4. – С. 180–192.

21

4. Вязкоупругие характеристики высоконаполненных полимерных композитов при двухчастотных воздействиях / А.С. Янкин, С.В. Словиков, Р.В. Бульбович, В.Э. Вильдеман, В.В. Павлоградский // Механика композитных материалов. – 2016. – Т. 52, № 1. – С. 115–128.

5.Янкин А.С. Влияние частот бигармонического (двухчастотного) нагружения на механическое поведение имитатора твердого топлива // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2015. –

№4. – С. 273–292.

6.Влияние амплитуды деформации высокочастотной составляющей бигармонического (двухчастотного) закона нагружения на динамические механические свойства низкомодульных

вязкоупругих композитов / А.С. Янкин, С.В. Словиков, Р.В. Бульбович, В.Э. Вильдеман // Механика композитных мате-

риалов. – 2013. – Т. 49, № 6. – С. 1005–1012.

7.Особенности поведения низкомодульных вязкоупругих полимерных композитов при варьировании амплитуды деформации низкочастотной составляющей бигармонической нагрузки / А.С. Янкин, С.В. Словиков, Р.В. Бульбович, В.Э. Вильдеман // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2014. – № 3. – С. 233–251.

8.Словиков С.В., Бульбович Р.В Экспериментальное исследование динамических механических свойств вязкоупругих материалов // Вестник Пермского государственного технического уни-

верситета. Механика. – 2010. – № 2. – C. 104–112.

9.Словиков С.В. Методика исследования зависимости механических свойств полиуретановах изделий от температуры // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2012. – №2 – С. 177–189.

10.Словиков С.В. Cовершенствование экспериментального метода исследования диссипативных и прочностных свойств полиуретана // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2013. –

№2. – С. 145–153.

22

УДК 621.9

УСКОРЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ОБРАБОТКЕ ЖАРОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

С.В. Михайлов, М.Ю. Глумин, В.М. Смирнов

Костромской государственный университет, Кострома, Россия michsv@yandex.ru, mikrjanja@mail.ru

Разработана и апробирована ускоренная методика сравнительных испытаний режущих свойств инструмента при точении жаропрочных материалов. Выбор оптимальных параметров режущих пластин осуществляется по наименьшей интенсивности изменения силы резания и минимальному соотношению ее составляющих Pxy/Pz в период приработки.

Ключевые слова: резание материалов, сменные многогранные пластины, износостойкость, ускоренные испытания.

Актуальной проблемой в механообработке резанием является выбор марки инструментального материала и режимов резания при изготовлении деталей из сплавов, обладающих повышенными прочностными, пластическими, жаропрочными и антикоррозионными свойствами. Отсутствие научно обоснованных рекомендаций по выбору оптимальных условий резания сдерживает освоение и совершенствование технологических процессов механической обработки новых труднообрабатываемых материалов. Для эффективного решения проблемы необходимы ускоренные методы определения режущих свойств инструментов.

В процессе эксплуатации режущий инструмент может подвергаться постепенному или плавному износу, хрупкому разрушению, пластической деформации. Существующие методы контроля состояния режущего инструмента можно разделить на прямые и косвенные. Прямые методы состоят в непосредственном измерении геометрических параметров инструмента и требуют прерывания процесса обработки. Косвенные методы основаны на контроле изменения сил резания, мощности, температуры и других физических характеристик процесса резания в ре-

23

зультате износа или поломки инструмента в режиме реального времени.

Для оценки эффективности силового метода диагностики режущих свойств инструмента была определена степень влияния износа лезвия инструмента на величину составляющих сил резания. Установлено, что в результате изнашивания инструмента по задней поверхности составляющие силы резания монотонно увеличиваются (рис. 1).

Уровень изменения сил резания подтверждает возможность регистрации этого изменения в процессе резания с использованием современных средств измерения. Информационность динамики увеличения составляющих силы резания позволяет применить этот показатель в качестве источника диагностического сигнала, определяющего износостойкость инструмента на стадии его приработки.

Рис. 1. Зависимость составляющих силы резания от величины износа

Ускоренные испытания режущих свойств инструмента проводились на лабораторном вычислительном комплексе, состоящем из динамометра УДМ-600, системы усиления и согласования сигналов SCXI-1000, аналого-цифрового преобразователя PCI6221 фирмы National Instruments для оцифровки и ввода данных в компьютер, персонального компьютера с программным обеспече-

24

нием LabVIEW 8.01. Для преобразования встроенных единиц измерения в пользовательские единицы производилось предварительное тарирование системы с использованием эталонного динамометра. Система фильтрации комплекса обеспечивала точность измерения сил резания до 10 Н. Повышенная точность измерений позволяла улавливать изменения сил резания, вызванные износом задней поверхности резца на величину менее 0,1 мм. Блокдиаграмма виртуального прибора для измерения составляющих силы резания представлена на рис. 2.

Рис. 2. Блок-диаграмма виртуального прибора LabVIEW

В качестве обрабатываемого материала была выбрана заготовка из титанового сплава ВТ6 диаметром D = 63 мм. Испытывались режущие пластины CNMG 120408, изготовленные из разных твердых сплавов. Резание осуществлялось без СОЖ при ν = 124 м/мин, s = 0,13 мм/об, t = 1,5 мм. Результаты исследования износостойкости новых сплавов по ускоренной методике приведены в таблице. На рис. 3 представлена динамика изменения тангенциальной составляющей силы резания в период приработочного износа.

1 Михайлов С.В., Ковеленов Н.Ю., Болотских С.В. Разработка экспериментального метода ускоренного определения режущих свойств инструмента // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2014. – Т. 16, №1 (2). – C. 404–409.

25

Рис. 3. Зависимости силы Pz от времени резания в период приработки пластин

Анализ данных показывает хорошую корреляцию между динамикой изменения составляющих сил резания и износом пластины. При меньших значениях Jz, Jy и Jx наблюдается меньший износ инструмента. Точность оценки качества пластин повышается при дополнительном учете соотношения составляющих сил резания Pxy/Pz.

Таким образом, предложенная методика позволяет сократить сроки и уменьшить трудоемкость выбора оптимального состава и конструкции режущего инструмента для конкретных технологических условий обработки.

УДК 536.45; 621.453

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ПОРОШКООБРАЗНОМ АЛЮМИНИЕВОМ ГОРЮЧЕМ И ВНЕЗЕМНОМ ОКИСЛИТЕЛЕ

С.С. Демидов, В.И. Малинин, Р.В. Бульбович

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

ssd-perm@rambler.ru

Представлены рекомендации по проектированию ракетного двигателя космического летательного аппарата для изучения объектов Солнечной системы. Компонентами топлива являют-

27

ся порошкообразный алюминий и добываемые на исследуемом объекте вода либо углекислый газ. В результате расчетов воспламенения взвеси порошка алюминия в потоке газовой смеси, соответствующей среде в форкамере двигателя, получены характеристики горения для всех фракций. На основе полученных результатов сформулированы рекомендации по размерам зоны воспламенения и наиболее благоприятным соотношениям компонентов топлива.

Ключевые слова: ракетный двигатель, порошкообразное алюминиевое горючее, кислородосодержащие компоненты, воспламенение, горение, двухфазный поток, фракции частиц, соотношение компонентов.

В 90-х гг. прошлого века группой российских исследователей была предложена концепция добывания одного из компонентов ракетного топлива для двигателя космического летательного аппарата непосредственно на поверхности исследуемого объекта [1]. Например, это могут быть вода или углекислый газ, используемые в качестве окислителя для порошкообразных горючих на основе активных металлов. Таким образом, для двигателя, работающего с большим избытком окислителя, действительный «запас» топлива значительно превосходит изначально транспортируемый с Земли.

Реализован данный принцип в концепции ракетного двигателя, использующего СО2 [2], и двигателя [3], использующего в качестве окислителя воду. Подача компонентов осуществляется вытеснительным способом. Для запуска используются баллоны с предварительно сжатым гелием. Схема предлагаемого двигателя на порошковомалюминиевомгорючем(ПАГ) представленанарис. 1.

Так как оксидная пленка, образующаяся на поверхности частиц алюминия, обладает высокой прочностью, возникает необходимость в особых мероприятиях для организации воспламенения и стабильного горения основного топлива. С этой целью используется газогенератор кислородосодержащих компонентов (КСК), работающий на гидразине и азотном тетраоксиде.

С целью изучения особенностей протекания процессов в форкамере, а также оптимизации способа воспламенения ПАГ выполнено математическое моделирование. Расчет проводился для массовых концентраций КСК (ξКСК) от 0,1 до 0,25: ξКСК =

28

= GКСК/(GAl + GКСК), где GКСК – массовый расход КСК; GAl – массовый расход ПАГ.

Рис. 1. Схема ракетного двигателя на ПАГ

Рис. 2. Массовая доля воспламенившихся частиц алюминия в потоке при различной концентрации КСК

При расчете продукты реакции гидразина и тетраоксида азота заменялись азотом и кислородом в эквивалентных пропорциях. Массовая концентрация кислорода в потоке – 65 %, азота – 35 %. Расчет процессов воспламенения и горения в форкамере проводился на основе модели, представленной в работах [4, 5]. По результатам расчета выполнен анализ доли воспламенившихся частиц при различной длине первой зоны форкамеры. Зависимость необходимой длины первой зоны от доли воспламенившихся частиц показана на рис. 2. При концентрациях КСК 0,1

29

и 0,15 воспламеняется менее 80 % частиц. При больших концентрациях, начиная с 0,17, достигается полное воспламенение. При этом достаточно первой зоны форкамеры длиной 10 см, чтобы воспламенить более 90 % частиц ПАГ.

На рис. 3 представлен анализ полноты сгорания алюминия в первой зоне форкамеры.

Рис. 3. Массовая доля сгоревших частиц алюминия в потоке для различных концентраций КСК

Порезультатамрасчетаполученыследующиерекомендации: а) рекомендуемый диапазон концентрации КСК – от 0,17 до

0,25;

б) минимально необходимая длина первой зоны форкамеры составляет 10 см.

В силу универсальности выбранного метода воспламенения перечисленные выше рекомендации актуальны как для двигателя на порошкообразном алюминиевом горючем, использующего в качестве окислителя сжиженный углекислый газ, так и для аналогичного двигателя, использующего в качестве окислителя воду.

Список литературы

1.Shafirovich E.Ya., Shiryaev A.A., Goldshleger U.I. Magnesium and carbon dioxide: a rocket propellant for mars missions // Journal of Propulsion and Power. – 1993. – 9. – Р. 197–203.

2.Демидов С.С., Малинин В.И., Бульбович Р.В. Ракетный двигатель на порошкообразном алюминиевом горючем и углекислом газе в качестве окислителя // Вестник Пермского национального

30