Электронная версия №4(12)-2010 Вестника МГТУ

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "СТАНКИН"

ВЕСТНИК МГТУ "Станкин"

НАУЧНЫЙ РЕЦЕНЗИРУЕМЫЙ ЖУРНАЛ

ЖУРНАЛ ВКЛЮЧЕН В ПЕРЕЧЕНЬ УТВЕРЖДЕННЫХ ВАК РФ ИЗДАНИЙ ДЛЯ ПУБЛИКАЦИЙ ТРУДОВ СОИСКАТЕЛЕЙ УЧЕНЫХ СТЕПЕНЕЙ

Москва Декабрь, 2010 г.

Вестник МГТУ "Станкин". Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ "Станкин". № 4 (12). 2010. – 188 с.: ил.

УЧРЕДИТЕЛЬ

ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет "Станкин" Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-31574 от 4 апреля 2008 г. выдано Федеральной службой

по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия.

Подписной индекс в каталоге агентства "Роспечать" — 48635

Редакционный совет ГРИГОРЬЕВ С.Н. (председатель), Гречишников В.А. (зам. председателя),

Соломенцев Ю.М. (зам. председателя), Бушуев В.В., Волков Н.В., Вороненко В.П., Казарова Т.В., Кириллова Е.А., Ковалев А.П., Ковшов Е.Е., Колоколов А.А., Коршунова Е.Д., Кутин А.А.,

Мартинов Г.М., Митрофанов В.Г., Позднеев Б.М., Сосенушкин Е.Н., Схиртладзе А.Г., Телешевский В.И., Уварова Л.А., Феофанов К.А., Холщевникова Н.Н., Чекменев С.Е., Шварцбург Л.Э.

Научные рецензенты:

Раздел 1 – д-р техн. наук проф. Гречишников В.А.; д-р техн. наук проф. Бушуев В.В.; д-р техн. наук проф. Вороненко В.П.; д-р техн. наук проф. Сосенушкин Е.Н.; д-р техн. наук проф. Телешевский В.И.; д-р техн. наук проф. Шварцбург Л.Э.; д-р техн. наук проф. Кутин А.А.

Раздел 2 – д-р техн. наук проф. Уварова Л.А.; д-р физ.-мат. наук проф. Холщевникова Н.Н.; канд. физ.-мат. наук проф. Колоколов А.А.

Раздел 3 – д-р техн. наук проф. Митрофанов В.Г.; д-р техн. наук проф. Волков Н.В.; д-р техн. наук проф. Ковшов Е.Е.; д-р техн. наук проф. Мартинов Г.М.; д-р техн. наук проф. Позднеев Б.М.; д-р техн. наук проф. Чекменев С.Е.

Раздел 4 – д-р экон. наук проф. Ковалев А.П.; д-р экон. наук проф. Коршунова Е.Д.; д-р пед. наук проф. Схиртладзе А.Г.

Раздел 5 – д-р филос. наук проф. Кириллова Е.А.; д-р филос. наук проф. Назарова Т.В.; д-р полит. наук проф. Феофанов К.А.

Редакция

Главный редактор - Григорьев С.Н. E-mail: [email protected] Научный редактор – Сидорова Г. Н.

Адрес редакции: 127055, г. Москва, Вадковский пер., д. 3а. Тел.: (499) 972-95-30, E-mail: [email protected] www.stankin.ru

Общий тираж — 500 экз. Цена свободная. Отпечатано в типографии Издательского Центра МГТУ "Станкин"

по адресу: 127055, Москва, Вадковский пер., д. 3а

ISSN 2072-3172 © МГТУ "Станкин”, 2010

4 (12)ВЕСТНИК МГТУ "СТАНКИН" 2010

Вестник МГТУ “Станкин” № 4 (12), 2010 3

СОДЕРЖАНИЕ Григорьев С.Н. Научные школы в истории Станкина . . . . . . . . . . . . . . . . 7

РАЗДЕЛ 1. МАШИНОСТРОЕНИЕ 1. Гречишников В.А. Инновационные конструкции инструментальной техники . . . 22

2. Григорьев С.Н., Козочкин М.П., Сабиров Ф.С., Синопальников В.А. Проблемы технической диагностики станочного оборудования на современном этапе развития . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3. Сосенушкин Е.Н., Артес А.Э., Яновская Е.А., Хачатрян Д.В. Трубные заготовки: технологический аспект раздачи и обжима . . . . . . . . . . . 36

4. Кутин А.А., Туркин М.В. Высокоэффективные машиностроительные технологии на основе ГПС нового поколения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5. Григорьев С.Н., Мельник Ю.А., Метель А.С., Панин В.В., Пономарев А.Н. Азотирование режущего инструмента в плазме, получаемой ионизацией газа пучком быстрых нейтральных молекул азота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

6. Кремнев Л.С. Вклад Станкина в создание теории легирования, разработку на ее основе и промышленное внедрение быстрорежущих сталей оптимального состава . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

7. Волосова М.А. Вакуумно-плазменные технологии: получение наноструктурных покрытий триботехнического и инструментального назначения . . . . . . . . . . . 66

8. Верещака А.С. Технологические производственные среды: анализ тенденций совершенствования (часть 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

9. Кузин В.В., Федоров С.Ю., Федоров М.Ю. Контактные процессы при резании керамическими инструментами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

10. Косов М.Г. Структуризация информации при проектировании машин . . . . . . . 94

11. Шварцбург Л.Э. Анализ энергетической безопасности технологических процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

12. Маслов А.Р. Процессы резания: диагностирование и контроль по состоянию качества обработанной поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

13.

РАЗДЕЛ 2. МАТЕМАТИКА И ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ 15.

16. Уварова Л.А., Будный К.А., Красикова Е.М. Математическое моделирование процессов переноса электромагнитных волн в нелинейных средах . . . . . . . . 110

СОДЕРЖАНИЕ

4 Вестник МГТУ “Станкин” № 4 (12), 2010

РАЗДЕЛ 3. ИНФОРМАТИКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Мартинов Г.М., Козак Н.В., Нежметдинов Р.А., Пушков Р.Л. Принцип построения распределенной системы ЧПУ с открытой модульной архитектурой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

Соломенцев Ю.М., Чекменев С.Е., Фролов Е.Б., Крюков В.В. О проблемах автоматизации этапов жизненного цикла изделия . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Позднеев Б.М., Сутягин М.В., Селиванцев О.И. Обеспечение гарантий качества электронного обучения на основе стандартов . . . . . . . . . . . . . . . 126

Митрофанов В.Г., Капитанов А.В., Милкина Ю.А., Семилеткин В.Ю. Канал связи как модель производственной системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

Максименко-Шейко К.В., Толок А.В., Шейко Т.И. R-функции в аналитическом проектировании с применением системы «РАНОК» . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

Волкова Г.Д. Когнитивные технологии в инженерной деятельности . . . . . . . . 151

РАЗДЕЛ 4. ЭКОНОМИКА И УПРАВЛЕНИЕ

Бадалова А.Г. , Еленева Ю.Я. , Шебаров А.И. Инновационное развитие

промышленного производства: структуризация методологии организации управления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

Ковалев А.П., Закшевская Н.Н. Экономическая поддержка научно-исследовательских организаций: коммерциализация результатов исследований и возможностей высокотехнологичного оборудования . . . . . . . 163

Корниенко А.А. Технологическое перевооружение машиностроительного предприятия: выбор стратегии развития парка оборудования . . . . . . . . . . . . 168

Коршунова Е.Д. , Меркулов А.В. Промышленные предприятия в условиях нестабильного рынка труда: выбор неустойчивой формы занятости . . . . . . . . 175

РАЗДЕЛ 5. СОЦИОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЛОСОФСКИЕ НАУКИ

Уваров А.И. Философия планетарного разума (основные положения) . . . . . . 180

Кириллова Е.А. Размышления о трансдисциплинарности социологической науки 186

4 (12)VESTNIK MSTU "STANKIN" 2010


CONTENTS Grigoriev S.N. Scientific Schools in the history of MSTU «Stankin» . . . . . . . . . . 7

PART 1. ENGINEERING

1. Grechishnikov V.A. Innovative designs of tool technics . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2. Grigoriev S.N., Kozochkin M.P., Sabirov F.S., Sinopalnikov V.A. Technical diagnostics machine at the present stage of development . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3. Sosenushkin E.N., Artes A.E., Yanovskaya E.A., Khachatryan D.V. Pipe blanks: expanding and swaging technological aspect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4. Kutin A.A., Turkin M.V. High efficiency production technologies based on new generation of FMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5. Grigoriev S.N., Melnik Yu.A., Metel A.S., Panin V.V., Ponomarev A.N. Cutting tools nitriding in plasma produced through gas ionization by fast neutral nitrogen molecules beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

6. Kremnev L.S. Contribution Stankin into the creation of alloying theory, development on it’s basis high-speed steels optimal composition and its commercial introduction . . 54

7. Volosova M.A. Vacuum plasma technology: nanostructured coating tribotechnical and instrumental designation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

8. Veretshaka A.S. Technological industrial medium: the analysis of perfection trends (part 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

9. Kuzin V.V., Fedorov S.J., Fedorov M.J. Contact processes by cutting by ceramic tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

10. Kosov M.G. Structuring information for designing of machines . . . . . . . . . . . . . 94

11. Shvartsburg L.E. Analysis of the energy safety of technological process . . . . . . . 98

12. Maslov A.R. Cutting processes: diagnosis and control of the quality of the machined surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

13.PART 2. MATHEMATICS AND SCIENCE

14.15. Uvarova L.A., Budnyi K.A., Krasikova E.M. Mathematical modeling of electromag-

netic waves propagation in non-linear media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

16.

CONTENTS


PART 3. INFORMATICS AND MODELING

Martinov G.M., Kozak N.V., Nezhmetdinov R.A., Pushkov R.L. The principle of constructing a distributed NC systems with open modular architecture . . . . . . . . . 116

Solomentsev Y.M., Chekmenev S.E., Frolov E.B., Krukov V.V. Automatization problems of the steps of the life cycle of the product . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Pozdneev B.M., Sutyagin M.V., Selivancev O.I. Guaranteeing the quality of e-learning standards-based . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

Mitrofanov V.G., Kapitanov A.V., Milkina Yu.A., Semiletkin V.Y. Communication channel as model of industrial system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

Maximenko-Sheiko K.V., Tolok A.V. , Sheiko T.I. R-Functions in analytical design with the use of the RANOK system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

Volkova G.D. Cognitive Technology for Design Technique . . . . . . . . . . . . . . . 151

PART 4. ECONOMICS AND MANAGEMENT

Badalova A.G., Eleneva Yu.Ya., Shebarov A.I. Innovative development of the indus-

trial production: structurization of the methodology of the managing organization . . . . 158

Kovalev A.P., Zakshevskaya N.N. Commercialization of scientific researches results and functionality of the hi-tech equipment as means of economic support of the research organisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

Kornienko A.A. Retooling machine-building with respect to the company: choice of development strategy of the park equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

Korshunova E.D., Merkulov A.V. The industrial enterprises in conditions astable labor market: choice of the unstable form of employment . . . . . . . . . . . . . . . . 175

PART 5. SOCIOLOGICAL AND PHILOSOPHICAL SCIENCE

Uvarov A.I. Philosophy of planetary reason (substantive provisions) . . . . . . . . . . 180

Kirillova E.A. Reflections on transdisciplinarity of sociological knowledge . . . . . . . 186

Научные школы в истории Станкина


УДК 378 С.Н. Григорьев, ректор МГТУ «Станкин»


S.N. Grigoriev,rector of the MSTU «Stankin»

Scientific Schools in the history of MSTU «Stankin»

В 2010 году исполняется 80 лет со дня основания Московского государственного технологического университета «Станкин». Все эти годы МГТУ «Станкин» являлся передовым центром по подготовке научно-педагогических и инженерно-технических кадров. Научные школы Станкина объединили достижения про-изводства и науки в целях передачи информации средствами об-разовательного процесса.

In 2010 marks 80 years since the founding of the Moscow State Technological University “Stankin”. All these years, MSTU “Stankin” is a leading center for the preparation of scientific-pedagogical and technical personnel. Academic Schools of “Stankin” combined to achieve production and science in order to transmit information by means of the educational process.

На создание и функционирование научной школы большое влияние оказывает внешняя среда: все социально-экономическое, социо-культурное и геополитическое пространство нашего общества, а также его состояние в рас-сматриваемый период. Можно выделить три составляющие этой среды, представляющие по сути три сферы деятельности: производст-во, науку и образование, - и через связи с ни-ми кратко охарактеризовать научные школы Станкина.

Школы Станкина с момента своего основа-ния и все последующие годы активно ведут сотрудничество с заводами, где изготовляются станки, кузнечно-прессовые машины и техно-логическая оснастка для них, включая режу-щий и мерительный инструменты, приспособ-ления для закрепления деталей. Продукцию этих заводов использовали предприятия тяже-лого и энергетического машиностроения, ме-таллургического машиностроения, оборонные предприятия, заводы автотракторного и сель-скохозяйственного машиностроения.

Плановый характер экономики в СССР связывал воедино задачи производства, науки и образования, создавая предпосылки для воз-никновения долгосрочных, в то же время ори-ентированных на решение актуальных прак-тических задач, научных школ:

- конструирования и расчета металлоре-жущих станков;

- инструментального производства; - конструирования кузнечно-прессового

оборудования; - разработки средств метрологического

обеспечения взаимозаменяемости в машино-строении.

Именно в научных школах шло соединение достижений производства и науки в целях пе-редачи этой информации средствами образо-вательного процесса студентам, аспирантам и производственникам, повышающим свою ква-лификацию.

Огромную роль в формировании школ сыг-рала их теснейшая связь с отраслевой наукой. Достаточно привести пример, когда заведую-щий кафедрой «Инструментальное производ-



Ачеркан Н.С. Пуш В.Э.

ство» профессор И.И. Семенченко был одно-временно заместителем директора по научной работе Всесоюзного НИИинструмента. Науч-но-исследовательские и проектно-конструкторские работы по крупнейшим го-сударственным проектам выполнялись в Станкине совместно с ЭНИМСом, ЭНИК-МАШем, Бюро взаимозаменяемости, КБ и от-раслевыми лабораториями крупных машино-строительных и станкостроительных заводов. Важно подчеркнуть, что в этих работах выра-батывалась ответственность за результаты на-учных исследований, возникала атмосфера серьезных оценок этих работ в области стан-коинструментального производства.

В результате плодотворной деятельности научно-педагогических коллективов самой высокой квалификации Станкин (впоследст-вии Московский государственный технологи-ческий университет «Станкин») за свою 80-летнюю историю подготовил более 42000 специалистов, свыше 3000 докторов и канди-датов наук, которые внесли огромный вклад в становление и развитие отечественного ма-шиностроения.

В далеком 1930 году основу для формиро-вания вуза заложили два первых факультета: станочный и инструментальный, - которыми руководили выдающиеся ученые Н.С. Ачеркан и И.И. Семенченко. Впоследст-вии роль и авторитет Станкина в образова-тельной, научной и производственной сферах во многом определили крупные ученые-педагоги, вырастившие целую плеяду извест-ных ученых и изобретателей, среди которых В.А. Аршинов, А.С. Ахматов, Б.С. Балакшин, Ю.А. Геллер, И.Е. Городецкий, В.А. Кривоу-хов, И.П. Третьяков, И.В. Харизоменов, Ю.М. Соломенцев и многие другие.

На современном этапе развития в Станкине успешно функционируют как признанные ве-дущие научные школы, так и сравнительно молодые, еще формирующиеся, но уже дос-тигшие серьезных результатов. В юбилейный для университета 2010 год необходимо от-дельно остановиться на истории формирова-ния и становления старейших научных школ университета, роль которых в развитии отече-ственной станкоинструментальной промышлен-ности и машиностроения трудно переоценить.



Школа металлорежущих станков основа-на в 1934 году, когда была создана кафедра «Станки» под руководством Наума Самойло-вича Ачеркана (см. фото), являющегося осно-воположником науки «Станковедение» в на-шей стране. По учебникам кафедры учится не одно поколение отечественных станкострои-телей. Книга «Металлорежущие станки» под редакцией Н.С. Ачеркана издана во многих странах мира.

Наиболее известные ученые-станкострои-тели и воспитанники школы:

- д-р техн. наук профессор В.Э. Пуш (см. фото) - впоследствии заведующий кафедрой «Станки», подготовил более 80 канд. техн. на-ук;

- д-р техн. наук профессор В.П. Жедь - ди-ректор ВНИИинструмента;

- д-р техн. наук профессор В.А. Кудинов - зам. директора ЭНИМСа по научной работе, подготовил более 200 кандидатов и докторов наук;

- д-р техн. наук профессор кафедры «Стан-ки» В.С. Хомяков;

- д-р техн. наук профессор В.Л. Сосонкин - впоследствии заведующий кафедрой «Ком-пьютерные системы управления»;

- д-р техн. наук профессор Б.И. Черпаков – заместитель директора ЭНИМСа по научной работе, автор более 500 научных работ;

- д-р техн. наук профессор В.В. Каминская; - заведующая лабораторией ЭНИМСа; - д-р техн. наук профессор З.М. Левина –

заведующая лабораторией ЭНИМСа; - д-р техн. наук профессор В.С. Белов – за-

меститель директора ЭНИМСа и другие. Среди крупных научных направлений,

взявших свое начало в научной школе метал-лорежущих станков, особо следует выделить «Общие вопросы станковедения» (профессор Н.С. Ачеркан), «Бесконтактные механизмы» (профессор В.Э. Пуш), «Математическое мо-делирование станков» (профессор В.С. Хомяков).

Благодаря высококвалифицированному коллективу и своим научным школам, до на-стоящего времени кафедра «Станки» является

головной в УМО по автоматизированному машиностроению и возглавляет учебно-методический Совет по станкостроению в ву-зах России.

Другой ровесницей Станкина является на-учная школа инструментальной техники. Основателем школы и более 30 лет ее руково-дителем был выдающийся ученый-энциклопе-дист, д-р техн. наук профессор, лауреат Госу-дарственной премии, заслуженный деятель науки и техники РСФСР Иван Иванович Се-менченко (см. фото). Под его руководством разработаны проекты главных инструмен-тальных заводов страны и инструментальных цехов крупнейших машиностроительных за-водов, таких как «Фрезер», МИЗ и др.

И.И. Семенченко заложил основы науки о режущем инструменте. На базе его четырех-томного труда «Режущий инструмент» по-следователями-инструментальщиками созда-ны справочники, учебники, учебные пособия, монографии по конструированию и техноло-гии изготовления режущего инструмента,

Семенченко И.И.



Сахаров Г.Н Гречишников В.А.

широко используемые при подготовке инже-неров-инструментальщиков и в настоящее время.

Для работы над научно-практическими проблемами и преподавания И.И. Семенченко привлек лучших теоретиков и практиков ин-струментального производства:

- д-ра техн. наук профессора В.М. Матю-шина - начальника технического отдела МИЗ, создателя отечественных стандартов долбяков;

- профессора Г.Р. Фрезерова – канд. техн. наук директора крупнейшего инструменталь-ного завода «Фрезер», лауреата Государст-венной премии;

- доцента В.М. Воробьева - главного кон-структора завода «Фрезер»;

- доцента В.К. Котельникова - главного технолога завода «Фрезер»;

- лауреата Государственной премии д-ра техн. наук профессора Г.Н. Сахарова (см. фо-то) - главного конструктора МИЗ и др.

В 1985 году научную школу возглавил по-следний ученик И.И. Семенченко – профессор В.А. Гречишников (см. фото). Под его руко-водством решены и решаются проблемы

по обновлению материально-технической ба-зы, привлечению молодых инженерных кад-ров, созданию новых курсов по САПР РИ, по обновлению тематики научно-исследователь-ских работ и др. Коллективом кафедры созда-на система автоматизированного проектиро-вания режущих инструментов, в последую-щем внедренная на промышленных предпри-ятиях и введенная в учебный процесс ряда вузов.

Старейшей школой, ведущей свою историю со дня основания Станкина, является научная школа технологии машиностроения, соз-данная д-ром техн. наук профессором Бори-сом Сергеевичем Балакшиным (см. фото), ко-торый в 1946 году возглавил в институте ка-федру «Технология машиностроения». Идеи об оснащении станков устройствами адаптив-ного управления, выдвинутые Б.С. Балакши-ным, разрабатывались на протяжении 25 лет с начала 50-х годов. При разработке проблемы адаптивного управления процессом обработки заготовок были доказаны и реализованы раз-личные новые возможности, а также предло-жены новые методы конструирования преци-



зионных станков. Идеи и разработки коллек-тива кафедры под руководством Б.С. Балак-шина получили всемирное признание. В 1972 году коллективу кафедры присуждена Ленин-ская премия.

Среди важнейших трудов школы – труды по теории автоматической сборки изделий, разработанной под руководством В.В. Коси-лова и А.А. Гусева, работы Д.В. Чарнко по раскрытию структур операций и автоматиза-ции мелкосерийного и единичного производ-ства с применением гибких производственных систем (ГПС), работы И.М. Колесова (см. фо-то) по раскрытию количественных связей ме-жду отклонениями формы, относительного поворота поверхностей деталей и расстояния между ними, появляющихся в процессах изго-товления машин, и многие другие.

В 1970 году под руководством Б.С. Балак-шина и И.М. Колесова были разработаны и утверждены ГОСТы 16319 и 16320-70 «Раз-мерные цепи», стандартизировавшие терми-нологию и методы расчета допусков и сыг-

равшие важную роль в популяризации теории размерных цепей.

Успех и авторитет научной школы техноло-гии машиностроения привлекли внимание ву-зов страны, и кафедра стала местом стажиров-ки преподавателей. В конце 60-х годов уста-новилось тесное сотрудничество с Дрезден-ским техническим университетом, Высшей технической школой в г. Карл-Маркс-Штадт (ГДР) и другими зарубежными университета-ми.

Б.С. Балакшин внес огромный вклад в раз-витие технологии машиностроения, разрабо-тав ее научные основы, содержащие ряд поня-тий и положений, вошедших в современную терминологию и практику:

- теорию размерных цепей (1939 г.); - теорию базирования (1946 г.); - метод разработки технологического про-цесса изготовления машины, содержащий состав, последовательность действий и указания по их осуществлению. Научная школа Б.С. Балакшина нашла

признание не только в Советском Союзе, но и

Балакшин Б.С. Колесов И.М.



Мещерин В.Т.

за рубежом. Учебники Б.С. Балакшина пере-ведены на английский, китайский, латышский и другие языки. Благодаря научной школе Б.С. Балакшина, кафедра «Технология маши-ностроения» была отнесена к числу ведущих кафедр в стране по этой специальности.

Сохранение и развитие научной школы Б.С. Балакшина, авторитета и традиций ка-федры стало главной задачей д-ра техн. наук профессора Игоря Михайловича Колесова (см. фото, с. 11). Под его руководством проходила начатая еще в 1937 году при жизни Б.С. Ба-лакшина разработка Государственного стан-дарта по базированию и базам, завершившаяся утверждением ГОСТа 21495-76 «Базирование и базы в машиностроении».

Воспитанниками научной школы Б.С. Балакшина являются д-р техн. наук про-фессор В.Г. Митрофанов, д-р техн. наук про-фессор Н.М. Султан-Заде, д-р техн. наук про-фессор В.К. Старков, д-р техн. наук профессор А.Н. Овсеенко, д-р техн. наук профессор В.П. Вороненко и многие другие ученые.

Научная школа пластического деформи-рования Станкина, созданная профессором В.Т. Мещериным (см. фото), также снискала авторитет не только в России, но и за рубе-жом. Под руководством В.Т. Мещерина рабо-тали такие известные ученые, как А.Д. Том-ленов, Б.П. Звороно, Е.А. Володин. К чтению лекций привлекались Н.П. Аристов и А.А. Федотенок, специалисты из Центрально-го проектно-конструкторского бюро кузнеч-но-прессового машиностроения (ЦБКМ) И.С. Победин и Б.В. Розанов и многие др.

Профессор В.Т. Мещерин в военные годы предложил эффективные технологии изготов-ления штампосварных конструкций оружия. Эти работы он продолжил и в Станкине, за-щитив по этой теме докторскую диссертацию. В 50-е годы прошлого столетия многие выпу-скники стали главными конструкторами или директорами крупных кузнечно-штамповочных заводов и производств по всей стране. Так, В.В. Лебедев - в Азове, Л.Н. Никитин - в Таганроге, Л.А. Райхлин – в Оренбурге, Б.С. Перевозчиков - в Нижней Са-ране, В.Б. Бяльский - в Барнауле, B.C. Мяки-ненков - в Чимкенте и т.д. Под руководством профессора В.Т. Мещерина проводились се-минары для заведующих кафедр пластическо-го деформирования всей страны, освещались итоги развития прикладных наук, обсужда-лись учебные планы и программы отдельных курсов.

Среди более поздних выпускников много специалистов, также ставших впоследствии руководителями отраслей и предприятий – премьер-министр М.Е. Фрадков, генеральный директор предприятия «АВТОДОР» в Кали-нинграде В.Н. Соколов, директор ЦБКМ А.Ф. Меркин, заместитель начальника техническо-го управления МИНСТАНКОПРОМа, торг-пред СССР в Чехословакии В.В. Лебедев, за-меститель директора ЦНИИТМАШа М.М. Колосков и др.

С 1977 года руководство научной школой пластического деформирования взял на себя д-р техн. наук профессор Е.Н. Ланской, зани-мавшийся проблемами жесткости кузнечно-



прессового оборудования. Научная школа под руководством Е.Н. Ланского выполнила ис-следования точности при объемной штампов-ке, создала методику расчета жесткости и прочности базовых деталей прессов и иссле-дования динамических процессов и методов динамического уравновешивания. Работы по совершенствованию конструкций гидропрес-сов были продолжены д-ром техн. наук про-фессором Н.С. Добринским.

В начале 90-х годов коллектив научной школы начал активно внедрять информацион-ные технологии в учебный процесс и научные исследования. Решая проблемы создания про-граммного обеспечения по проектированию штампового инструмента для листовой и объ-емной штамповки, одновременно обновляя машинный парк лаборатории и оснащая прес-сы измерительными приборами для проведе-ния лабораторных работ по профилирующим курсам, были созданы программные комплек-сы TOPCAD и TFLEX-CAD. Эти программ-ные комплексы применяются в учебном про-цессе и научных исследованиях и в настоящее время.

Сегодня научную школу пластического де-формирования возглавляет д-р техн. наук профессор Е.Н. Сосенушкин, который про-должает поддерживать сложившиеся тради-

ции. Решением ученого совета университета лаборатории кафедры, в которой проводится исследовательская и учебная работа, присвое-но имя ее основателя - д-ра техн. наук профес-сора В.Т. Мещерина.

История другой известной школы – науч-ной школы метрологов - началась с первой метрологической дисциплины, преподаваемой в Станкине - курса “Допуски и технические измерения”. Основоположником школы мет-рологов является Иосиф Ефимович Городец-кий (см. фото, с.14), выдающийся метролог и педагог, лауреат Государственной премии СССР, д-р техн. наук профессор.

Талантливый организатор и крупный спе-циалист, И.Е. Городецкий создавал научную школу при тесном взаимодействии с промыш-ленностью, в том числе с заводом “Калибр”, Комитетом по делам мер и измерительных приборов (Коммерприбор), с Всесоюзным бюро взаимозаменяемости и другими органи-зациями. Это сотрудничество обеспечивало высокое качество учебного процесса и разви-тие научной работы по наиболее актуальным проблемам машиностроения. В эти годы так-же разворачиваются фундаментальные работы по нормированию точности деталей и их со-единений, классификации и выбору средств измерений, разработке методов поверки и юс-

Кабинет штамповки, в котором в 1936 году начи-налась работа научной школы пластического де-формирования



Городецкий И.Е. Телешевский В.И.

тировки средств измерений, создается широ-кая гамма приборов автоматического контро-ля. Проводившиеся исследования пневматиче-ских методов измерения возглавил профессор д-р техн. наук А.Я. Ростовых.

В 1946 году И.Е. Городецкий совместно с профессором Г.А. Апариным создает фунда-ментальный учебник “Допуски и технические измерения”. Этот труд, претерпевший в по-следующем четыре издания, сыграл огромную роль в подготовке инженеров-метрологов для машиностроения.

Неоценимый вклад в конструкторскую под-готовку инженеров внес профессор Н.Ф. Ры-марь, удостоенный Государственной премии СССР за создание первого в мире завода-автомата по изготовлению автомобильных поршней.

Выдающийся вклад в разработку и внедре-ние новой системы физических единиц, в на-стоящее время ставшей привычной и естест-венной для специалистов, внес известный оте-чественный метролог, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, профессор д-р техн. наук Г. Д. Бурдун. Работы еще одного круп-

ного ученого – профессора д-ра техн. наук С.С. Волосова - в области автоматического контроля размеров (в частности, разработан-ные им основы активного контроля деталей и подналадочных систем) нашли широкое при-менение в промышленности. Фундаменталь-ные работы профессора д-ра техн. наук Н.Н. Маркова в области выбора средств изме-рений и измерения параметров зубчатых за-цеплений получили международное призна-ние, а написанные им учебники по нормиро-ванию точности и метрологическому обеспе-чению машиностроительного производства являются базовыми при подготовке современ-ного инженера.

В 1983 году научную школу метрологов возглавил д-р техн. наук профессор В.И. Те-лешевский (см. фото). В эти годы происходи-ло бурное внедрение в измерительную техни-ку и метрологию новейших достижений науки – лазерной техники, опто- и микроэлектрони-ки, вычислительной техники, туннельной микроскопии и других не менее важных на-правлений, что полностью изменяло принци-пы построения и структуру средств измере-



ний. В настоящее время работы научной шко- лы становятся более ориентированными на проблематику качества и сертификации. Научная школа металловедения Станки-

на нашла широкое признание. Ее основное научное направление было заложено B.C. Владиславлевым и Н.А. Минкевичем и заклю-чалось в разработке и внедрении быстроре-жущих сталей. Под их руководством в 30-50-х годах разрабатывались методики рациональ-ного назначения инструментальных сталей для различных видов инструментов. Они уча-ствовали в разработке и внедрении в машино-строение закалки ТВЧ (за эту работу асси-стент Е.В. Родин в составе авторского коллек-тива был удостоен Сталинской премии), за-нимались решением теоретических и практи-ческих вопросов внедрения электроискрового упрочнения металлов.

Необходимо отметить, что в годы Великой отечественной войны коллективом научной школы проведена большая работа по устра-нению технологических недостатков в двига-телях знаменитых американских грузовиков Студебеккер.

В 1957 г. школу возглавил профессор Ю.А. Геллер (см. фото). В годы войны в 1941-1943 годах Ю.А. Геллер работал главным метал-лургом на оборонных заводах и начальником инструментального бюро Наркомата боепри-пасов. Под его руководством в школе стреми-тельное развитие получил целый ряд научных направлений. Впервые была разработана тео-рия легирования теплостойких инструмен-тальных сталей, на основных положениях ко-торой созданы стали различного назначения.

Хорошие результаты были получены по ис-следованию и разработке инструментальных сталей для холодного и горячего деформиро-вания металлов. Новые марки стали нашли широкое применение в промышленности: три марки включены в Государственные стандар ты, восемь поставляются по заводским техни-ческим условиям, а две марки инструменталь-ных сталей этой группы отмечены медалями ВДНХ в 1975 и 1977 годах. За разработку, ис-следование, промышленную апробацию и внедрение теплостойких сталей и сплавов со-

Геллер Ю. А. Кремнев Л. С.



Панкин А.В. Кривоухов В.А.

трудники научной школы были удостоены премий имени Д.К. Чернова, Н.А. Минкевича, Н.А. Тиме и премии Совета Министров СССР.

В рамках научной школы металловедения одновременно с наукой большое внимание всегда уделялось научно-методической рабо-те, разработке и изданию учебных и методи-ческих пособий. Так, д-р техн. наук профессор Ю.А. Геллер был одним из авторов учебного пособия «Материаловедение» для проведения лабораторных работ и практических занятий. По этому учебному пособию, которое выдер-жало уже шесть переизданий, проводятся за-нятия в большинстве технических вузов Рос-сийской Федерации.

Одним из трех авторов общероссийской, ныне действующей программы по дисциплине «Материаловедение» для основных машино-строительных направлений является профес-сор д-р техн. наук Л.С. Кремнев (см. фото, с. 15), в настоящее время возглавляющий на-учную школу металловедения. Одним из раз-работчиков всех Государственных стандартов подготовки бакалавров и специалистов техни-

ки и технологии является профессор Ю.Е. Се-дов. Большой вклад в постановку учебного процесса внесли методисты и лекторы высо-кой квалификации – Н.П. Аристов, А.М. Ада-скин и др.

Одной из старейших научных школ в МГТУ «Станкин» является школа резания материалов, которую основал (а также впер-вые возглавил кафедру «Резание материа-лов») заслуженный деятель науки и техники РСФСР, д-р техн. наук профессор А.В. Пан-кин (см. фото). Им впервые в 1910 году пере-ведена на русский язык книга Ф. Тейлора “Искусство резать металлы”, и он сам зани-мался вопросами разработки рациональных режимов резания.

Многие яркие страницы в историю научной школы внесли такие ученые, как д-р техн. наук профессор С.Ф. Глебов, продолживший вопросы разработки рациональных режимов резания, и д-р техн. наук профессор В.А. Кривоухов (см. фото), вместе с сотруд-никами кафедры участвующий в разработке справочных материалов по режимам резания для всех видов инструмента, которые были



положены в основу Государственных норма-тивов по режимам резания. В.А. Кривоухов является соавтором первых отечественных учебников “Резание металлов” и “Резание конструкционных материалов, режущие инст-рументы и станки”; за выдающиеся заслуги в области создания советской школы резания он награжден двумя орденами Трудового Крас-ного знамени, а Указом президиума Верхов-ного Совета РСФСР ему было присвоено по-четное звание “Заслуженный деятель науки и техники РСФСР”.

Ученик В.А. Кривоухова – заслуженный деятель науки и техники РСФСР, канд. техн. наук профессор В.А. Аршинов участвовал в написании учебника “Резание металлов и ре-жущий инструмент”. Помимо научно-педагогической, он вел активную обществен-ную деятельность: являлся членом коллегии Министерства станкостроительной и инстру-ментальной промышленности СССР, членом Президиума республиканского комитета профсоюзов, депутатом районного Совета. В 1974 году за выдающиеся заслуги он был удостоен почетного звания “Заслуженный деятель науки и техники РСФСР”, награжден орденами Трудового Красного знамени, “Знак Почета” и медалями.

Важный период в истории научной школы связан с именем заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, д-ра техн. наук профессора И.П. Третьякова. Под его руководством науч-ная школа бурно развивала совершенно новые научные направления - физику процессов ре-зания и прочность режущего инструмента. В рамках этих направлений широко велись ра-боты в области ионно-плазменной обработки режущего инструмента. Под руководством И.П. Третьякова начали проводиться одни из первых в Советском Союзе исследования в области высокоскоростного резания металлов. Среди его учеников немало признанных спе-циалистов в области обработки материалов резанием (д-р техн. наук профессор А.С. Верещака, д-р техн. наук профессор В.П. Табаков, д-р техн. наук профессор А.Н. Коротков, д-р техн. наук профессор В.И. Курдюков, канд. техн. наук профессор В.А. Синопальников и многие другие). Треть-яков И.П. является одним из авторов извест-ной монографии “Развитие науки о резании материалов”, а также автором монографии «Режущие инструменты с износостойкими покрытиями». За большие заслуги в развитии инструментального производства и теории ре-зания материалов, а также в деле подготовки

Коллектив разра-ботчиков режущего инструмента с изно-состойким покрыти-ем под руководством И.П. Третьякова



Ахматов А.С. Толстой Д.М.

высококвалифицированных инженерных и научных кадров, ему присуждены почетное звание “Заслуженный деятель науки и техни-ки РСФСР”, ордена “Красной Звезды” и “Знак Почета”.

С именем заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, д-ра техн. наук, профессора В.К. Старкова связано стремительное разви-тие научного направления «инструменты и технологии абразивной обработки». Им изда-но большое количество научно-педагогических трудов, среди которых «Тех-нологические методы повышения надежности обработки на станках с ЧПУ», «Обработка ре-занием. Управление стабильностью и качест-вом в автоматизированном производстве», «Дислокационные представления о резании металлов» и др.

Трудно переоценить вклад в развитие науч-ной школы и в становление в Советском Сою-зе научного направления «режущие инстру-менты с износостойкими покрытиями» учени-ка и продолжателя дела И.П. Третьякова – лауреата Государственной премии СССР, д-ра техн. наук профессора А.С. Верещаки. За раз-

работку и внедрение технологических процес-сов нанесения покрытий на режущий инстру-мент он награжден Государственной премией СССР.

На рубеже веков научная школа резания материалов начала развивать новые направле-ния научной деятельности – вакуумно-плазменную, электроэрозионную, лазерную, электроискровую и другие технологии обра-ботки материалов, что отразилось на научно-педагогической деятельности коллектива школы высокоэффективных технологий обработки материалов и соответствующей кафедры; новая кафедра получила название «Высокоэффективные технологии обработ-ки»*.

* Нельзя не отметить вклад в работу кафедры и шко-лы высокоэффективных технологий обработки ма-териалов автора этой статьи. Коллектив научной шко-лы в 2003 и 2010 годах, возглавляемый Лауреатомпремий Правительства Российской Федерации в облас-ти науки и техники, д-ром техн. наук профессором Григорьевым Сергеем Николаевичем, был удостоен грантов Президента РФ для государственной поддерж-ки ведущих научных школ. (Примечание редакционно-го совета).



С момента основания университета и от-крытия кафедры «Физика» в МГТУ «Стан-кин» получила развитие научная школа фи-зики. Неоценимый вклад в ее формирование внесли выдающиеся ученые: академик д-р техн. наук профессор П.П. Лазарев; директор Института физики и биофизики д-р техн. наук профессор А.С. Ахматов (см. фото); д-р техн. наук профессор Д.М. Толстой (см. фото); д-р техн. наук профессор А.Д. Гладун; канд. техн. наук профессор А.А. Колоколов и др.

В течение многих лет под руководством профессоров А.С. Ахматова и Д.М. Толстого проводились исследования в области внешне-го трения, износа материалов и смазки. Про-фессор Д.М. Толстой впервые после знамени-того Ш. Кулона внёс фундаментальные до-полнения в теорию внешнего трения, благода-ря которым теория периодических контактных колебаний при скольжении одного тела по по-верхности другого нашла практическое при-менение. А.С. Ахматов опубликовал свыше 150 научных работ, где исследовались свойст-ва вещества в тончайших пленках на поверх-ностях жидкостей и твердых тел. Изданная в 1963 году монография профессора А.С. Ахма-това «Молекулярная физика граничного тре-ния» получила высокую оценку специалистов и была переведена на английский язык. В те-чение 15 лет профессор А.С. Ахматов являлся представителем СССР в международной Ко-миссии ЮНЕСКО по физике, а с 1973 по 1982 годы был членом редколлегии журнала «Успехи физических наук». За многолетнюю и успешную работу профессор А.С. Ахматов награжден орденом Ленина и десятью меда-лями.

Следует отметить работы профессора Н.Г. Власова по дифракционной оптике, интерфе-рометрии, современным методам получения радужных голограмм, низкокогерентной то-мографии. Им открыт эффект пространствен-ной корреляции интенсивности световых волн, позволяющих воспроизводить трехмер-ную форму поверхности объекта как в про-странстве предмета, так и в пространстве изо-бражений, на основе которых разработаны и

изготовлены первые отечественные цифровые спекл-интерферометры. За научные достиже-ния профессор Н.Г. Власов избран действи-тельным членом Американского географиче-ского общества, членом Нью-Йоркской Ака-демии наук, Американского оптического об-щества и SPIE.

Большое значение имеют также работы профессора В.Г. Кречета по современной кос-мологии, общей теории относительности и по фундаментальным взаимодействиям элемен-тарных частиц, которые получили мировую известность и публикуются в наиболее авто-ритетных зарубежных журналах. Научная школа физики в настоящее время сотрудни-чает с рядом вузов и научно-исследова-тельских институтов и участвует в междуна-родных научных конференциях по голографии и компьютерному моделированию.

Появление вычислительной техники новых поколений индивидуального пользования в научных исследованиях позволило в массовом порядке перейти к решению насущных задач совершенствования организации производст-ва, перехода к электронному документооборо-ту и оптимизации технологических процессов на основе их многофакторного моделирова-ния. В связи с этим в МГТУ «Станкин» в 1980 году была создана школа конструкторско-технологической информатики, которую возглавляет член-корр. РАН, д-р техн. наук профессор Юрий Михайлович Соломенцев (см. фото, с. 20), лауреат Ленинской и Госу-дарственных премий, заслуженный деятель науки и техники РФ. Под руководством Ю.М. Соломенцева подготовлено 25 докторов наук и 57 кандидатов наук. Им опубликовано более 360 научных работ, в том числе моно-графии, учебники и учебные пособия.

Развитие научной школы конструктор-ско-технологической информатики про-должилось с открытием вычислительного центра, а затем научно-технического полигона САПР, оснащенного самой современной ком-пьютерной техникой. Профессор В.Н. Лебедев способствовал созданию новых научных на-правлений в области систем программирова-



Соломенцев Ю.М.

ния. Теория конструкторско-технологического проектирования получила свое развитие в трудах профессоров В.Г. Митрофанова и А.Ф. Прохорова.

В разное время научная школа Ю.М. Соло-менцева развивала такие направления, как «концептуальное моделирование и методоло-гия промышленного изготовления ИТ-систем» (руководитель Г.Д. Волкова), «технология знаний и интеллектуальные системы» (руко-водитель А.Ф. Колчин), «автоматизация пла-нирования производства» (руководитель Е.Б. Фролов), «математическое моделирова-ние динамических систем» (руководитель Н.В. Волков), «автоматизированное конфигу-рирование программно-технических комплек-сов», «мобильные телекоммуникационные технологии», «технологии разработки гипер-медийных систем» (руководитель С.Е.Чекме-нёв), «управление жизненным циклом про-дукции» (руководители Ю.М. Соломенцев, профессор А.Ф. Колчин, доцент Ю.Г. Коган) и др.

Среди достижений научной школы следует отметить работы д-ра техн. наук профессора,

лауреата Золотой медали Академии наук СССР за лучшую научную работу в области математики Евгения Борисовича Фролова, главного конструктора системы управления производством «Фобос».

В настоящее время область научных инте-ресов научной школы конструкторско-технологической информатики – решение проблем создания и повышения эффективно-сти функционирования систем автоматизиро-ванного проектирования, управления качест-вом проектных работ на основе использования современных методов когнитивного модели-рования и инженерного анализа, перехода на безбумажные сетевые формы документообо-рота и интеграции САПР в общую архитекту-ру интегрированной автоматизированной про-ектно-производственной среды предприятия. Коллектив научной школы конструкторско-технологической информатики, возглавляе-мый Ю.М. Соломенцевым, дважды удостаи-вался грантов Президента РФ для государст-венной поддержки ведущих научных школ.

Необходимо отметить и более молодые на-учные школы МГТУ «Станкин», динамично развивающиеся вслед за самыми современны-ми тенденциями в науке и технике и соблю-дающие принцип преемственности:

- школа робототехники и мехатроники под руководством профессора Ю.В. Подураева;

- школа прикладной математики под руко-водством профессора Л.А. Уваровой;

- школа компьютерных систем управления под руководством профессора Г.М. Марти-нова;

- школа инженерной экологии под руково-дством профессора Л.Э. Шварцбурга и многие другие.

По результатам фундаментальных исследо-ваний и прикладных разработок творческих коллективов научных школ в Станкине только за последние годы было защищено более 300 диссертаций, получено свыше 40 патентов Российской Федерации, США и стран Европы, опубликовано более 250 монографий, учебни-ков и учебных пособий.



Использование огромного опыта научно-преподавательской и исследовательской дея-тельности коллективов научных школ МГТУ «Станкин», опирающихся на традиции взаи-модействия с другими научно-исследова-тельскими организациями и промышленными

предприятиями России и зарубежья, в сочета-нии с развивающимися инновационными идеями и подходами к осуществлению науч-ной деятельности позволяет с оптимизмом смотреть в будущее и способствует даль-нейшему процветанию университета.

Григорьев Сергей Николаевич – д-р техн. наук профессор, заведующий кафедрой «Высокоэффек-тивные технологии обработки». (499) 972-94-92; (499) 972-94-00 Grigoriev Sergey Nikolaevich – doctor of technical sciences, professor, head of the chair of "High-effective machining technologies". (499) 972-94-92; (499) 972-94-00

МАШИНОСТРОЕНИЕ


УДК 621.9.02

В.А. Гречишников

V.A. Grechishnikov

Инновационные конструкции инструментальной техники

Innovative designs of tool technics

Описаны инновационные конструкции инструментальной техники, разработанные на кафедре «Инструмен-тальная техника и технологии формообразования».

The description of innovative designs of the technics developed on chair “Tool technics and tehnology of shape for-mation” lately is presented.

Ключевые слова: резьба, инструмент, виброустойчивость, шлифование, формообразование, нанокристаллы.

Key words: thread, tool, vibrostability, grinding, form making, nanocrystal.

Совершенствование конструкции режущего инструмента приобретает важное значение с учетом появления в настоящее время: инстру-ментальных материалов с новыми режущими свойствами, а также высокоскоростных метал-лорежущих станков и конструкционных мате-риалов с улучшенными механическими харак-теристиками. На кафедре выполнен ряд научно-исследовательских работ по созданию иннова-ционных конструкций инструментальной тех-ники, учитывающих вышеперечисленные тен-денции в машиностроении. К таким работам от-носятся:

- инновационные конструкции режущих ин-струментов из сверхтвердых материалов (СТМ);

- новые конструкции инструментов для ал-

мазного сверления отверстий в деталях из хруп-ких материалов;

- инструменты для обработки резьб в глубо-ких отверстиях;

- твердосплавные инструменты повышенной виброустойчивости;

- оборудование для шлифования профиля зубчатых колес;

- системы для исправления угла среза нано- кристаллов алмазными кругами.

Все разработанные инновационные решения имеют патенты.

Инструментальные материалы на основе ал-маза и поликристаллического нитрида бора яв-ляются наиболее твердыми – их твердость со-ставляет 60…90 ГПа и 30…40 ГПа соответст-

а) б)

Рис. 1. Режущие инструменты из сверхтвердых материалов: а - возможные формы режущих инструментов; б – внешний вид вставки из СТМ



Рис. 2. Конструкция пластины, оснащенной ре-жущей вставкой из СТМ: L - длина пластины, m - высота пластины,S - толщина пластины, αn - задний угол в нормаль-ном сечении, rε – радиус скругления пластины венно. Высокая твердость обуславливает их чрезвычайную износостойкость при обработке труднообрабатываемых материалов. Прочност-ные характеристики СТМ ниже, чем у твердого сплава, но они сохраняют свои значения при высоких температурах.

Применение инструментов из СТМ особенно эффективно для обработки высокотвердых, хрупких, труднообрабатываемых материалов: твердых сплавов, керамики, ферритов, вольфра-ма, молибдена; закаленных, азотированных, коррозионно-стойких, жаропрочных сталей и сплавов; композиционных материалов и износо-стойких пластмасс.

В инструментах на базе СТМ возможно ис-пользование различных форм режущих сверх-твердых элементов (вставок) (рис. 1).

Форма и размеры режущих элементов опре-деляются с учетом формы и размеров заготовок из СТМ (таблеток). Режущие элементы имеют форму цилиндра, размеры которого равны раз-мерам таблетки или части таблетки, закрепля-ются (напаиваются) на сменные пластины с за-крепленными режущими элементами из СТМ и крепятся механически на корпус инструмента.

Многогранные пластины трехгранной ром-бической формы могут изготавливаться с впа-янным в одну из вершин элементом из СТМ (рис. 2).

Рис. 3. Конструкция сборной торцеконцевой фре-зы, оснащенной режущими вставками из СТМ: 1 - корпус, 2 - торцевая поверхность фрезы, 3 - резьба, 4 - режущие вставки, 5 - гайка, 6 - шайба, 7 - стержень, 8 - эксцентриковые втулки, 9 - резьба, 10 - регулировочная гайка, 11 - режущие элементы, 12 - резьба

Рис.4. Конструкция алмазного кольцевого сверла:1 - алмазоносная часть, 2 - хвостовик, 3 - корпус, 4 - режущая поверхность, 5 - фаска

Режущие элементы из СТМ для многогран-ных пластин выбираются с учетом конфигура-ции многогранной пластины. Геометрические параметры формируются за счет установки пла-стины или в процессе заточки при ее установке на корпус.

Для обработки плоскостей, пазов, уступов и труднообрабатываемых материалов может быть



а)

б)

Рис. 5. Конструкции алмазного инструмента дляобработки точных отверстий: а - с механическим регулированием размера: 1 - алмазоносный слой, 2 - разрезная втулка,3 - режущие элементы, 4 - кулачки, 5 - окна на кор-пусе, 6 - упругое разрезное кольцо, 7 - трубчатый корпус, 8 - хвостовик, 9 - режущие элементы,10 - окна на втулке; б - с упругим регулированием размера: 1 - хвостовик, 2 - регулировочная гайка,3 - расклинивающая втулка, 4 - пружина, 5 - упор, 6 - кулачки, 7 - корпус, 8 - алмазоносное кольцо использована торцеконцевая фреза с режущими элементами из СТМ [1]. Предлагаемая конст-рукция обеспечивает регулировку режущих ин-струментов по диаметру фрезы (рис. 3).

Алмазные концевые инструменты предназна-чены для обработки отверстий в деталях из не-металлических хрупких материалов – стекла,

керамики, ферритов, гранита, мрамора, бетона и других и используются для обработки отверстий в деталях из неметаллических хрупких материа-лов с точностью по диаметру до 0,015 мм (рис. 4) (частое требование предприятий радио-электронной, оптической, авиационно-космической отраслей промышленности).

Применение новых конструкций алмазного инструмента обеспечивает повышение произво-дительности обработки на 30 %, повышение точности сверления отверстий - на 60 %, сниже-ние величины сколов на выходе отверстия - до 0,05…0,1 мм.

Точность обработки достигается прецизион-ным регулированием диаметра за счет упругого

деформирования корпуса и механического регу-лирования размера алмазоносной режущей час-ти инструмента (рис. 5).

При механическом регулировании для на-стройки диаметра обрабатываемого отверстия в поле допуска производят регулирование режу-щих элементов сверла поворотом кольца отно-сительно корпуса (рис. 5, а) [3].

При регулировании диаметра посредством упругого деформирования корпуса режущей части изношенного или неточного алмазного кольцевого сверла придается эллипсообразная форма, размер которого по большей оси эллипса соответствует номиналу обрабатываемого от-верстия (рис. 5, б) [2].

Для обеспечения обработки отверстий с ми-нимальными сколами и снижения уровня крае-вых напряжений на выходе сверла в конструк-ции сверла на торце предусмотрена фаска с об-разующей. Она пересекает ось инструмента под углом 30…60о и торцевую поверхность по ра-диусу в точке, отстоящей от цилиндрической поверхности на размер алмазного зерна.

Метод планетарной обработки существенно расширяет возможности прогрессивной техно-логии обработки внутренних резьб с планетар-ным движением инструмента, позволяя обраба-тывать поверхности отверстий глубиной свыше 2 - 4 диаметров инструмента. Применение мето-да позволяет:



- использовать планетарное резьбофрезеро-вание для глубоких резьбовых отверстий (более 2 - 4 диаметров инструмента) с обеспечением точности обработанной резьбы в пределах 6H - 7G в деталях из конструкционных сталей, труднообрабатываемых материалов и закален-ных сталей;

- увеличить производительность операций по сравнению с традиционными технологиями в 2 - 4 раза;

- применять планетарное накатывание для внутренних резьб, что повышает производи-тельность и качество обработанной резьбы.

Инструмент имеет корпус, в пазу которого закреплена твердосплавная резьбовая пластина или установлен накатной ролик. Передняя часть инструмента снабжена направляющим роликом, предназначенным для повышения жесткости при обработке за счет контактирования с дета-лью. Для этого направляющий ролик, диаметр которого равен диаметру отверстия, установлен эксцентрично оси корпуса головки на переднем торце с возможностью вращения (рис. 6 – рис. 9) [4, 5].

Корпус инструмента устанавливается так, чтобы оси направляющего ролика и обрабаты-ваемого отверстия совпадали. Корпусу инстру-мента придается вращательное движение вокруг своей оси (с одновременным перемещением его по кругу формирующего диаметра резьбы) и осевое перемещение (равное шагу резьбы). Та-ким образом, производится обработка резьбовой поверхности, при которой направляющий ролик гасит радиальную нагрузку на инструмент от составляющих сил резания или радиальную на-грузку при пластическом деформировании резь-бовой поверхности.

Еще одной инновационной конструкцией ин-струментальной техники является оборудование для шлифования профиля зубчатых колес, дол-бяков и шеверов, расширяющее технологиче-ские возможности при обработке профиля. В этом случае исключена необходимость приме-нения большого количества барабанов и их сме-ны, что уменьшает время настройки зубо-

Рис. 6. Резьбовая фреза с передней направляющей

Рис. 7. Резьбовой накатник с передней направ-ляющей

Рис. 8. Схема планетарного резьбофрезерования для глубоких внутренних резьб с передней на-правляющей

a)

б)

Рис. 9. Установка резьбовой фрезы (а) и накатни-ка (б) при планетарной обработке внутренней резьбы с передней направляющей



Рис. 10. Схема меха-низма обката зубошли-фовального станка

шлифовального станка и позволяет использо-вать станок для обработки широкой номенкла-туры изделий.

Необходимость в смене барабанов устраняет-ся за счет того, что механизм обката станка вы-полнен в виде рычажной системы и одного несменного обкатного барабана; при этом ось барабана и изделия остаются неподвижными, а прямолинейное перемещение осуществляет шлифовальная бабка с кругом. Для обеспечения настройки станка на размер L шлифуемого из-делия шлифовальная бабка с кругом имеет воз-можность вертикального перемещения относи-тельно центра изделия.

Параметры настройки станка определяются по формуле

w

brLcos

с помощью которой при известном радиусе ос-новной окружности изделия rb можно опреде-лить или угол разворота αw при принятом уста-новочном размере L, или величину L при задан-ном αw.

Если величину L принять равной радиусу ба-рабана Rb, то получим конструкцию станка со сменным барабаном и известной формулой для настройки подобных станков. (рис. 10) [6].

Шлифуемое изделие 1, установленное на оп-равке, и обкатной барабан 2 располагаются на одной неподвижной оси 3. Шлифовальная бабка с кругом 4, представляющим собой боковую по-верхность зубчатой рейки с углом профиля αw, установлена на нижней каретке 5, осуществ-ляющей прямолинейное перемещение по роли-ковым направляющим 6, расположенным в по-перечной каретке 7.

Горизонтальное прямолинейное поступа-тельное движение нижней каретки 5, реали-зующее зацепление круга со шлифуемым изде-лием, осуществляется поворотом короткого ры-чага 8 через ролик 9. Поворот короткого рычага 8 обеспечивается поворотом длинного рычага 10, соосного с коротким рычагом 8, на оси 11. Общий поворот рычагов 8 и 10 производится через ролик 12, установленный на верхней ка-ретке 13, перемещающейся по направляющим станины.

Проблемы технической диагностики станочного оборудования


На каретке 13 закреплены концы тонких

стальных лент 14, которые другими концами

крепятся на обкатном барабане 2.

При одновременном вращении соосно распо-

ложенных изделия 1 и барабана 2 обеспечивает-

ся необходимое линейное перемещение шлифо-

вального круга 4 с помощью лент 14, которые

другими концами крепятся на обкатном барабане 2.

Вертикальное перемещение поперечной ка-

ретки 7 по стрелке K позволяет изменять рас-

стояние L оси нижней каретки 5 и шлифоваль-

ной бабки с кругом 4 относительно неподвиж-

ного центра изделия 1 и барабана 2, которое яв-

ляется основным настроечным размером.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент РФ № 88594 / В.А. Гречишников, В.Б. Романов и др.

2. Патент РФ № 76854 / А.В. Балыков. 3. Патент РФ № 2384404 / А.В. Балыков. 4. Патент РФ № 2300449 / В.А. Гречишников,

В.А. Косарев, Д.В. Косарев. 5. Патент РФ № 2373017 / В.А. Гречишников,

В.А. Косарев, Д.В. Косарев. 6. Патент РФ № 2246381 / Б.Е. Седов, В.Б. Рома-

нов.

Гречишников Владимир Андреевич – д-р техн. наук профессор, заведующий кафедрой «Инстру-ментальная техника и технология формообразования» МГТУ «Станкин». (499) 972-94-57 Grechishnikov Vladimir Andreevich – head of the faculty “Tool technics and tehnology of shape forma-tion” MSTU “Stankin” professor, d.sci. (499) 972-94-57

УДК 621.9.06.004.58 С.Н. Григорьев, М.П. Козочкин,

Ф.С. Сабиров, В.А. Синопальников

S.N. Grigoriev, M.P. Kozochkin, F.S. Sabirov, V.A. Sinopalnikov

Проблемы технической диагностики станочного оборудования на современном этапе развития

Technical diagnostics machine at the present stage of development

Рассмотрены различные аспекты проблемы технической диагностики оборудования и процессов при обра-

ботке в условиях автоматизированного производства. Предложены методы диагностирования состояния ин-струмента, заготовок, оборудования и процессов при металлообработке на основе анализа виброакустических сигналов.

There is discusses various aspects of technical Diagnostics equipment and processes while processing in automated

production. Proposed methods of diagnosis of tool blanks, equipment and processes in metalworking, based on the analy-sis of vibro-acoustic signals.

Ключевые слова: диагностика оборудования, износ инструмента, виброакустический сигнал. Key words: diagnostic equipment, tool wear, vibro-acoustic signal.



Технической диагностикой называется наука о распознавании состояния технических сис-тем [1]. В станкостроении наибольшее развитие методы технической диагностики получили в конце 80-х годов, когда создавались гибкие производственные системы и модули, ориенти-рованные на внедрение принципов «безлюдной технологии». Хотя потребности производства в применении систем диагностики во многом опираются на разработки тех лет, следует отме-тить, что существенно изменилась приборная база, на которой строились системы техниче-ской диагностики:

- увеличивались возможности вычислитель-ной техники, с помощью которой реализовыва-лись диагностические алгоритмы;

- многократно увеличилось быстродействие и объемы памяти;

- повысилась компактность и надежность всех модулей диагностических систем;

- значительно расширились технические возможности первичных преобразователей - они стали относительно дешевле и доступнее для применения в станкостроении.

Однако и технологическое оборудование претерпело изменения: сложная кинематика все шире заменяется мехатронными модулями, на повестке дня возникли задачи обработки дета-лей с точностью до нанометров, а также потреб-ности в обработке новых материалов и т.п.

В современном станкостроении задачи тех-нической диагностики распределяются по трем направлениям, различающихся областями при-менения и периодичностью использования (рис. 1).

Оперативная диагностика (ОД) является тем направлением, значение которого резко воз-растает при расширении работ по созданию ав-томатизированных технологических комплексов (ГПМ, ГПС). На схеме (рис. 1) дан перечень ос-новных задач ОД.

Поскольку переход станочного оборудования на режим «безлюдной технологии» невозможен без интеллектуализации этого оборудования, важнейшим этапом ОД является оснащение

станков встроенными источниками информации о состоянии важнейших узлов и о качестве про-текания собственно самого технологического процесса. Этим проблемам посвящены работы, предлагающие самые разнообразные подходы к их решению [2 - 4 и др.].

Из перечисленных задач ОД особо следует вы-делить одну, которая стоит на повестке дня еще с 70-х годов, но так и не получившую удовлетвори-тельного решения. Речь идет о распознавании и фиксации поломок и предельного износа режуще-го инструмента (РИ) различного вида непосредст-венно в процессе резания. В настоящее время при создании систем ОД основной упор делается на контроль силовых нагрузок в зоне резания и на контроль виброакустических (ВА) сигналов, гене-рируемых в процессе обработки изделия. Созда-ваемые приводы предусматривают поступление в ЧПУ станка сигнала, пропорционального созда-ваемому вращающему моменту. Если вращающий момент, возникающий при резании, можно выде-лить на фоне сигнала, определяемого холостым ходом станка, то с его помощью можно наблюдать за износом режущего инструмента.

Практика показывает, что следить за износом мелкого концевого инструмента и за чистовым инструментом с помощью такой системы удается не всегда, поскольку приращение мощности, соз-даваемое таким инструментом, обычно очень не-большое, которое трудно выделить на фоне помех холостого хода. Поэтому для контроля износа и поломок чистового и мелкого инструмента коли-чество контролируемых параметров в процессе резания расширяется за счет контроля параметров ВА-сигнала.

Природа силовых и вибрационных параметров разная, поэтому несмотря на то, что порой они коррелируют между собой, параллельный кон-троль силовых и вибрационных параметров дает положительный эффект, позволяя выявлять боль-ший процент изношенного инструмента, не дово-дя ситуацию до поломки. Недостатком алгорит-мов, используемых для контроля износа и поло-мок инструментов, является необходимость про-ведения предварительного обучения для получе-ния информации об уровне диагностиче-



Рис. 1. Распределение задач технической диагностики в современном станкостроении ских параметров при работе острого инструмен-та. Даже после получения такой информации остается проблема назначения пределов диагно-стических параметров – «коридор». Положение «коридора» и его ширина могут меняться с из-менением режимов резания, обрабатываемого материала, требований к качеству поверхност-ного слоя изделия, жесткости заготовки по мере изменения координат зоны резания, т. е. задание допустимых границ изменения диагностических параметров может потребовать предваритель-ных исследований с участием инженера–технолога. Результатом такого исследования должно стать задание целого ряда коэффициен-тов, задающих границы «коридоров», которые определяют допустимые границы параметров, контролируемых на протяжении всего процесса обработки.

Необходимость задания «коридоров» для не-скольких контролируемых параметров усложня-ет задачу. Развитие ОД в части диагностики со-стояния инструментов должно идти по пути со-вершенствования алгоритмов распознавания, а также создания системы автоматической разра-ботки программ диагностики, объединенных с системами автоматической подготовки управ-ляющих программ. В общей постановке такая задача крайне сложна для строгого решения, особенно при использовании ВА-параметров, характеризующихся нелинейной зависимостью от условий обработки. Задача упрощается, если она ориентирована на конкретное производство, где в автоматическом режиме обрабатывается ограниченный набор изделий, повторяющийся в зависимости от потребностей производства.



В этом случае удается разбить используемые инструменты на группы, где для каждой из них дается определенный набор коэффициентов, оп-ределяющих границы «коридора» относительно значений, получаемых при работе острым инст-рументом.

Но даже и в этом случае приходится идти на упрощения, например исключать контроль из-носа на некоторых участках обработки, характе-ризующихся разбросом контролируемых пара-метров из-за нестабильности условий обработ-ки. В этом случае контроль износа переносится на последующие участки с более стабильными условиями. В ряде случаев придется упрощать зависимости границ контролируемых парамет-ров от координаты рабочего пространства, ог-раничиваясь постоянным «коридором» для не-скольких участков обработки, где наблюдаются вариации значений контролируемых парамет-ров.

Однако остаются задачи, связанные с обра-боткой единичных изделий с высокими требо-ваниями к качеству поверхности. В этом случае необходимо иметь систему создания управляю-щих программ, совмещенную с системой разра-ботки программы диагностики и исключающую

предварительное обучение. Для таких случаев необходимо создавать постепенно заполняемую базу данных со значениями допусков на контро-лируемые параметры для разных условий обра-ботки.

Порядок создания такой базы данных являет-ся сложной самостоятельной задачей. Сразу же возникает вопрос о возможности перенесения сведений из этой базы на штучное изделие. Это связано с тем, что в базе данных надо учитывать не только режимы обработки и материал заго-товки, но и динамические характеристики инст-рументов, заготовок и самой упругой системы в разных точках рабочего пространства. Сложно-сти вызывает количество характеристик, с по-мощью которых можно описать, например, ма-териал заготовки или ее динамические характе-ристики и т. п. При большом количестве харак-теристик, включенных в базу данных, для ее за-полнения может потребоваться не один год экс-плуатации технологического комплекса. Уменьшение количества характеристик в базе данных может привести к возникновению недо-пустимой неопределенности результата из-за вариаций неучтенных характеристик.

Рис. 2. Изменение значений отно-шения эффективных амплитуд ВА-сигнала, взятых в разных час-тотных диапазонах, при уменьше-нии скорости резания и увеличении износа режущей кромки



Это типичная проблема технической диагно-стики при описании любых объектов диагно-стирования.

Решению проблемы создания систем автома-тической разработки программ диагностирова-ния может помочь поиск и применение таких параметров контролируемых сигналов, которые в меньшей степени зависят от вариаций условий обработки, но стабильно реагируют на измене-ние состояния режущих кромок инструментов. Обычно это безразмерные параметры, полу-чающиеся при делении одной характеристики контролируемого сигнала на другую. В ряде ра-бот для выявления зарождающихся дефектов предлагаются применять эксцесс сигнала, одна-ко практика его анализа при резании показала, что его применение эффективно при анализе зарождающихся дефектов и при нарушении плавности резания [4, 5].

В настоящее время исследуются преимуще-ства использования такого параметра ВА-сигнала, как отношение эффективных значений амплитуд, взятых для разных частотных диапа-зонов.

Для примера на рис. 2 показано изменение такого фактора для разных осей при торцевом точении с падением скорости резания и с рос-том износа режущей кромки. В качестве высо-кочастотного был взят диапазон 7100…7800 Гц, а в качестве низкочастотного – 900…1200 Гц.

Видно, что отношение эффективных ампли-туд в этих диапазонах падает с уменьшением скорости резания, но увеличение износа по зад-ней грани до 0,3 мм вызывает стабильное падение этого параметра для скоростей 30…50 м/мин приблизительно на 50 %.

Для меньших скоростей падение снижается, но в хороших управляющих программах боль-ших вариаций скорости резания быть не долж-но. Для применения такого отношения ампли-туд в качестве диагностического параметра не-обходимо найти правила выбора частотных диапазонов и исследовать его поведение при более широком изменении условий обработки.

Говоря о диагностике процесса резания, сразу следует упомянуть задачу обнаружения сливной стружки. Без решения проблемы фор-мирования удобной для удаления стружки пере-ход к «безлюдной технологии» невозможен. В этом плане износ стружколомающих канавок на резце может быть опаснее износа режущих кро-мок, поскольку может создавать на станке ава-рийную ситуацию. Очевидно, что кроме струж-коломающих канавок на станке должен быть вариант формирования стружки, закладываемый в управляющую программу, например за счет переменной подачи или правильного сочетания режимов резания.

При реализации адаптивного управления система ОД необходима для определения теку-щих значений параметров, которые необходимо стабилизировать (например, нагрузка или уро-вень вибраций) или которые входят в состав оп-тимизируемого функционала.

Паспортизация процесса обработки связана с изготовлением ответственных деталей, от каче-ства которых зависит надежность функциони-рования оборудования, определяющего, напри-мер, безопасность людей. В случае возникнове-ния негативных ситуаций в работе такого обо-рудования ведется поиск причин аварийных си-туаций. О нарушениях технологии изготовления деталей можно судить по характеру записей сигналов, сопровождавших процесс обработки и используемых в системе ОД.

Использование методов ОД для мониторинга состояния важнейших узлов станка становится все более актуальным в связи с повышением требований к точности функционирования уз-лов, повышением скоростей обработки и ростом стоимости ремонта таких узлов. При этом нель-зя говорить о необходимости средств диагно-стики только для узлов с низкой надежностью. Чем выше качество узла, тем больший эффект дает своевременное выявление аномалий в ра-боте такого узла. Можно принять превентивные меры по исправлению ситуации без дорого-стоящего ремонта или замены узлов. Например, фирма Fisher в создаваемых мотор-шпинделях устанавливает для мониторинга датчики темпе-ратуры и акселерометры. В современных стан-



ках присутствует обычно не один шпиндель, и выход любого из них за пределы температурно-го или вибрационного режима может привести к выходу из строя шпиндельных подшипников, к снижению качества изделия или даже аварии. В таких узлах контроль функционирования надо вести непрерывно, а диагностику состояния – периодически. Кроме шпиндельных узлов сис-темами ОД надо охватывать и все прочие меха-низмы, разрегулировка и износ которых могут требовать контроля со стороны оператора. Сюда обычно относятся механизмы смены инстру-ментов и заготовок, механизмы привода ограж-

а)

б)

Рис. 3. Распределение вибраций в плоскости,перпендикулярной оси, для шлифовальныхшпинделей: а – шпиндель № 1 с регламентируемой температу-рой нагрева; б – шпиндель № 2 с нагревом на 15оС выше регламентируемой

дений и т. п. Многое зависит от конкретных конструктивных и технологических недорабо-ток, и часто решение о необходимости ОД при-ходится принимать после начала эксплуатации технологического комплекса.

Размерный контроль осуществляется с по-мощью встроенных средств. Он необходим для обеспечения заданной точности изготовления и контроля готовых изделий. С помощью системы размерного контроля могут:

- уточняться размеры заготовки и правиль-ность ее базирования;

- учитываться температурные и упругие де-формации, размерный износ инструментов;

- рассчитываться и вводиться коррекция в управляющие программы.

Исследования показали [6], что наличие сис-темы размерного контроля и коррекции позво-ляет ликвидировать более 60 % параметриче-ских отказов.

Поскольку в системе ОД допустимые откло-нения контролируемых параметров зависят от вида инструмента и характеристик заготовки, то система должна обладать механизмом их иден-тификации, в противном случае это придется делать оператору вручную.

Обычно при создании комплексов «безлюд-ной технологии» дополнительно возникает ряд задач, свойственных конкретному исполнению комплекса. Например, встречаются примеры, когда загружающий робот теряет при транспор-тировке заготовку, и комплекс начинал обра-ботку «воздуха». В связи с этим круг задач ОД может расширяться и изменяться по сравнению с представленным здесь перечнем.

Тестовая диагностика (ТД) может опирать-ся на средства ОД, на мобильные диагностиче-ские комплексы и стационарные комплексы, ко-торыми оснащаются стенды для испытаний ста-ночных узлов. Некоторые функции ТД могут быть реализованы программными средствами. Практика эксплуатации ГПС отечественного и импортного производства показала, что отказы из-за разрегулировок различных механизмов ГПС происходят через 30…40 ч, что недопус-



тимо с позиций эффективности эксплуатации ГПС [6]. В связи с этим актуальна задача осна-щения ГПС системами ТД состояния основных механических узлов. В соответствии с режимом эксплуатации ГПС в период профилактического обслуживания система ТД должна определять состояние основных узлов на основе сравнения фактических параметров, характеризующих ра-ботоспособность того или иного узла, с задан-ными (эталонными) границами значений пара-метров. По результатам такого контроля должна определяться необходимость технического об-служивания, регулировки, замены деталей или элементов узлов.

Проблемы ТД надо рассматривать не только по отношению к ГПС, а гораздо шире. Эти про-блемы могут возникать на стадиях изготовления станочных узлов, закупки станочного оборудо-вания и его эксплуатации. Например, при изго-товлении шпиндельных узлов проверяется точ-ность вращения, нагрев в опорах.

Потери холостого хода и уровень вибраций проверяются не везде и не всегда. Особенно-стью зарождающихся дефектов является то, что они не сразу отображаются на функциональных характеристиках узлов, но уже ограничивают перспективу использования данного узла. Заро-ждающийся дефект через какое-то время разо-вьется до значительных размеров, что нарушит нормальную работу узла. Сначала возникнет параметрический отказ (потеря требуемой точ-ности), и дальнейшая эксплуатация может при-вести к функциональному отказу, вызывающему простой оборудования. В связи с этим методы ТД должны включать проверки, позволяющие выявлять зарождающиеся дефекты в узлах. На-пример, методы ВА-диагностики обладают вы-сокой чувствительностью к изменению условий контактирования подвижных элементов узлов, однако сразу возникают две проблемы.

Первая состоит в том, что без предваритель-ных исследований трудно сказать, на сколько должен отличаться тот или иной параметр ВА- сигнала от эталона, чтобы можно было опреде-лить: «годен» или «не годен». На рис. 3 показа-

ны так называемые «розы вибраций» (простран-ственное распределение вибраций) для перед-них опор двух шлифовальных шпинделей [7, 8]. Оба шпинделя по температуре нагрева и точно-сти вращения соответствовали существующим нормативам, хотя второй шпиндель имел пока-затель нагрева на 15оС выше нормы. Возникает вопрос: до какой величины допустима асиммет-рия распределения вибраций, показанная на рис. 3 для шпинделя № 2? Такая же проблема возникает и по целому ряду других показателей. В любом узле встречаются отклонения от идеа-ла, но рационально определить «годен / не го-ден» без отслеживания поведения узла в экс-плуатации крайне трудно.

Вторая проблема состоит в том, что персонал предприятия не удовлетворяется ответом «го-ден / не годен», ему требуется конкретная ин-формация. Необходимо знать, что следует изме-нить в конструкции или в технологии изготов-ления для получения годного узла.

Просто ужесточать допуски на всех стадиях изготовления дорого и нерационально. Надо выделить доминирующие факторы и именно для них пересмотреть конструкцию, допуски и тех-нологию. Могут потребоваться сложные работы по поиску связей отклонений (возможно, лежа-щих в рамках допуска) элементов узла на стади-ях изготовления с контролируемыми парамет-рами в процессе ТД и с поведением узла при эксплуатации. Подобные работы эффективно проводятся только в тесном контакте с предпри-ятиями-изготовителями узлов.

Методы ТД полезны при закупке дорого-стоящего импортного оборудования. Необходи-мо помнить, что зарождающиеся дефекты могут

не сразу сказываться на точности работы узла, а проявиться после окончания гарантийного сро-ка. В этой связи надо обратить внимание на на-личие мобильных диагностических систем, по-зволяющих с помощью переносного компьюте-ра быстро записать диагностические сигналы с контролируемого узла в неприспособленных условиях для их последующего анализа. Здесь тоже возникает проблема: какие отклонения



контролируемых параметров считать допусти-мыми? Многое определяется опытом исследова-теля, но при наличии выбора можно выделить лучшие образцы. В ответственных ситуациях целесообразно приглашать специалистов со стороны со своей аппаратурой. Такая же про-блема возникает и на производстве при эксплуа-тации дорогого оборудования. Сервисные служ-бы пытаются наладить ТД с помощью мобиль-ных средств, надеясь, что периодические прото-колы со значениями диагностических парамет-ров позволят по динамике изменения показате-лей вовремя проводить регулировки и ремонты, не допуская аварийных ситуаций.

Предэксплуатационная (исследователь-ская) диагностика (ПД) является тем фунда-ментом, на котором должны строиться ОД и ТД. ПД должна заниматься исследованиями техно-логических процессов и процессов, протекаю-щих в ответственных узлах станков, с которыми потом приходится иметь дело ОД и ТД. Речь идет не просто об исследованиях процессов, а об отображении их важнейших показателей в параметрах диагностических сигналов, контроль которых возможен при ОД и ТД. В помощь ис-следователям в области технической диагности-ки существует большое количество трудов, пы-тающихся формализовать подходы к получению диагностических моделей. К сожалению, боль-шинство трудов в этой области опирается на определенную структуру диагностических мо-делей, которая трудно вписывается в реальные прикладные задачи [9]. В данной области при-кладные проблемы часто оказываются сложнее теорий. Теоретические выкладки значительно упрощаются:

- если связи между функциональными пара-метрами процессов и диагностическими пара-метрами имеют линейный или хотя бы моно-тонный характер;

- если диагностические параметры независи-мы друг от друга;

- если случайные явления подчиняются нор-мальным законам распределения.

Список идеализаций можно продолжить, но и этого достаточно для описания тех допущений, на которые приходится идти исследователям. На практике идеализация крайне опасна, по-скольку часто бывает далека от действительно-сти, ведет к получению ошибок, последствия которых определяются ситуацией. Например, считается, что метод Байеса [1] среди статисти-ческих методов распознавания состояний объ-ектов характеризуется простотой и эффективно-стью. В его основе лежит формула Байеса, свя-зывающая вероятности Р появления у объекта состояния Di при реализации комплекса значе-ний диагностических признаков, выражаемого вектором К, компоненты которого kj:

K),()/|K()(K)|( Pi

DPi

DPi

DP (1)

где вертикальная черта говорит об условной ве-роятности. Предполагается, что входящие в правую часть выражения (1) вероятности из-вестны заранее. Это вероятности появления всех включенных в рассмотрение состояний Di, веро-ятности появления наборов значений признаков при нахождении объектов в каждом из состоя-ний Di и вероятности появления всех возмож-ных значений векторов K. Предварительное оп-ределение этих вероятностей для объекта со сложным сочетанием состояний может быть просто недоступным без значительных упроще-ний. Если взять второй сомножитель в выраже-нии (1), то формула для его вычислений имеет вид:

),,1,...,1k|(...

...),1k|2()|1()|(

iDnknkPiDkPiDkPiDKP

(2)

куда входят условные вероятности появления значений составляющих kj вектора K при нали-чии состояния Di и появлении значений других составляющих вектора K. Вычисления по фор-муле (2) на практике возможны только при не-больших размерностях вектора K или при усло-вии независимости признаков. Тогда условные



вероятности появления kj надо знать только при наличии признака Di.

Предположим, что в формуле (2) присутству-ет пять сомножителей, которые с учетом всех допущений определены с хорошей для экспери-ментов точностью ±10 %, а остальные вероятно-сти в формуле (1) определены точно. Но и тогда верхняя оценка будет в 2,6 раза превосходить нижнюю. На самом деле, с учетом тех же про-блем по остальным сомножителям, входящим в (1), все обстоит гораздо сложнее. В большинст-ве случаев сталкиваются с ситуацией, когда по-лучить все необходимые данные с приемлемой для конечного результата точностью невозмож-но.

В связи с изложенным основным фундамен-том ПД является знание физических процессов, происходящих в станочных узлах и при реза-нии. Изучать эти процессы непосредственно нельзя, поэтому прибегают к помощи датчиков, сигналы которых связаны с функциональным состоянием изучаемых процессов. Это сложная работа, часто находящаяся на грани с искусст-вом, где поиск диагностических моделей ведет-ся эвристическими методами, опирающимися на опыт и интуицию исследователя. Только глубо-кое знание физики процессов позволяет нахо-дить простые и надежные диагностические мо-дели, которые потом могут использоваться в ОД и ТД. Все это требует привлечения к работе специалистов по отдельным узлам, которые на основании глубокого изучения специфики про-цессов в узлах могли бы дать рекомендации по выбору диагностических признаков и назначе-нию допустимых отклонений.

Большой помощью исследователям являются компьютеры с набором программ для регистра-

ции и обработки сигналов и аппаратные средст-ва мобильной диагностики. Применение уни-версальной аппаратуры в ПД возможно в усло-виях стендовых испытаний, однако не все про-цессы можно воспроизвести на стендах. Часто приходится исследовать процессы в цеховых условиях. От компактности и автономности средств мобильной диагностики во многом за-висят качество и оперативность получаемой информации и затраты времени для разработки эффективных диагностических моделей.


1. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: Маши-ностроение, 1978. 240 с.

2. Козочкин М.П., Сабиров Ф.С. Оперативная диаг-ностика при металлообработке – проблемы и задачи // Вестник МГТУ «Станкин». 2008. № 3. С. 14 - 18.

3. Синопальников В.А., Григорьев С.Н. Надеж-ность и диагностика технологических систем: Учебник. М.: Высшая школа, 2005. 343 с.

4. Козочкин М.П. Виброакустическая диагностика технологических процессов. М.: ИКФ Каталог, 2005.196 с.

5. Балицкий Ф.Я., Иванова М.А., Соколова А.Г., Хомяков Е.И. Виброакустическая диагностика зарож-дающихся дефектов. М.: Наука, 1984. 120 с.

6. Барабанов В.В., Аристов Н.Г. Задачи диагности-рования неисправностей ГПМ в решении проблемы обес-печения их надежности // Сб. научн. трудов: Оперативная диагностика состояния оборудования, инструмента и ра-бочего процесса в станках с помощью встроенных средств:. М.: ЭНИМС, 1989. С. 14 - 21.

7. Козочкин М.П., Сабиров Ф.С., Суслов Д.Н., Аб-рамов А.П. Виброакустическая диагностика опор шпин-делей станков для высокоскоростной обработки // СТИН. 2010. № 6. С. 17 - 21.

8. Маслов А.Р. Применение многооперационных станков в автомобильной промышленности //

Обработка металлов: технология, оборудование, инст-рументы. 2006. № 1. С. 23-25.

9. Гурин В.Д., Григорьев С.Н., Алешин С.В., Семе-нов В.А. Исследование силовых параметров при фрезеро-вании концевыми фрезами для диагностирования их со-стояния // Вестник машиностроения. 2005. № 9. С. 19-22.

Григорьев Сергей Николаевич – д-р техн. наук профессор, заведующий кафедрой «Высокоэффек-тивные технологии обработки». (499) 972-94-92 Козочкин Михаил Павлович – д-р техн. наук профессор кафедры «Станки». (499) 972-94-92 Сабиров Фан Сагирович – д-р техн. наук профессор, заведующий кафедрой «Станки» Синопальников Вадим Александрович – канд. техн. наук профессор кафедры «Высокоэффектив-ные технологии обработки».



Grigoriev Sergey Nikolaevich – doctor of technical sciences, professor, head of the chair of "High-effective machining technologies". (499) 972-94-92 Kozochkin Mikhail Pavlovich – doctor of technical sciences, professor of "Machine". (499) 972-94-92 Sabirov Fan Sagirovich – doctor of technical sciences, professor, head of the department "Machine". Sinopalnikov Vadim Aleksandrovich – kandidit technical sciences, professor of "High-effective machin-ing technologies".

УДК 621.774.7:621.983 Е.Н. Сосенушкин, А.Э. Артес,

Е.А. Яновская, Д.В. Хачатрян

E.N. Sosenushkin, A.E. Artes, E.A. Yanovskaya, D.V. Khachatryan

Трубные заготовки: технологический аспект раздачи и обжима

Pipe blanks: expanding and swaging technological aspect

Теоретически установлено и экспериментально подтверждено влияние технологических параметров опера-ций раздачи и обжима на возможность их реализации в условиях мелкосерийного производства.

The influence of expanding and swaging processes technological parameters on their low-volume production imple-

mentation possibility has been stated by theory and confirmed by experiment. Ключевые слова: раздача, обжим, трубная заготовка, напряженное состояние, анизотропия Key words: expanding, swaging, pipe blanks, strained condition, anisotropy

С развитием новых технологий в строитель-ной индустрии при возведении легких бесфун-даментных конструкций, при установке реклам-ных щитов небольших размеров пользуются спросом полые анкеры, отдельные элементы ко-торых могут быть изготовлены пластическим деформированием, а затем сварены. Так, напри-мер, по заказу одного из предприятий Москвы на кафедре «Системы пластического деформи-рования» отработана технология изготовления верхней части анкера операциями раздачи и об-жима (рис.1). Фланец детали получен с помо-щью раздачи, а обжим используется для формо-изменения участка детали с восемью гранями под специальный ключ.

Целью работы является установление взаи-мосвязи технологических параметров с пре-дельными возможностями операций раздачи и обжима. Одна из задач работы - эксперимен-тальные исследования технологических процес-сов при изготовлении деталей с элементами, имеющими сложную геометрическую форму. В зависимости от геометрии штампуемого эле-мента детали и схемы нагружения могут реали-зовываться операции «раздача» или «обжим». Поскольку задача решается на основе безмо-ментной теории оболочек, то изгибающими мо-ментами, возникающими при деформировании трубной заготовки, пренебрегаем. На поверхно-стях контакта заготовки с инструментом прини-



маем условия трения, подчиняющиеся закону Кулона.

Поскольку операции раздачи и обжима часто используются при изготовлении полых деталей различного назначения, то многие их аспекты изучены и освещены в опубликованных мате-риалах. Например, в [1, 2] дается теоретический анализ операций раздачи и обжима, исследуется влияние анизотропии на устойчивое протекание процесса деформирования при реализации тех-нологии с применением операций раздачи и об-жима [1 - 4]. Имеется практический опыт изго-товления конических и сферических деталей с помощью этих операций [5, 6].

В качестве заготовки для штамповки верхней части анкера (см. рис.1) использовалась горяче-деформированная труба Ø76×4 из стали 20, изготовление которой регламентировано по на-ружному диаметру и толщине стенки.

Соответственно большие по размерам детали изготавливаются из труб с другими параметра-ми. Размеры и масса 1 м труб должны соответ-ствовать приведенным в табл. 1 [7].

Материал трубы принимаем ортотропным, обладающим цилиндрической анизотропией ме-ханических характеристик [2]. При безмомент-ном симметричном нагружении трубной заго-товки напряженное состояние точек очага де-формации плоское, а меридиональные σρ и ок-ружные напряжения σθ являются главными.

Изготовление фланца осуществлялось разда-чей в два перехода: на первом с помощью сту-пенчатого пуансона с углами конусности ступе-ней α=16° и α=45°; на втором с помощью плос-кого пуансона проводилось окончательное фор-моизменение фланцевой части детали.

В целях интенсификации процесса раздачи перед выполнением второго перехода фланце-вая часть заготовки подвергалась предваритель-ному нагреву, что дало возможность провести раздачу с общим коэффициентом Кр=1,74, что больше предельного значения.

Одним из важных технологических парамет-ров является длина заготовки, которая, в конеч-ном счете, преобразуется во фланец нужного

Рис. 1. Штампованная часть анкера

Рис. 2. Схема определения длины заготовки для штамповки фланца

диаметра. Горбуновым М.Н. [8] предложена за-висимость для определения необходимой длины l2, которая, исходя из схемы на рис. 2, рассчи-тывается следующим образом:

22

22

212 82

4

1 RRddd

dl

ср

. (1)



В случае рассматриваемой детали расчетная длина цилиндрической трубной заготовки для образования фланца заданной ширины l2=20,0 мм.

Сила, необходимая для штамповки фланца, определяется по зависимости [8]:

0maxsdP

ср , (2)

при этом напряженное состояние очага пласти-ческой деформации может быть оценено макси-мальным радиальным напряжением

R

SK

K pp 2

6,11ln1

12

02

2,0max , (3)

где ср

p d

dK 1 - коэффициент раздачи; μ – коэф-

фициент трения; σ0,2 – напряжение течения при заданной температуре деформации; S0 – толщи-на стенки исходной трубной заготовки.

Обжим участка с гранями потребовал ввести следующее допущение. Для определения коэф-фициента обжима будем использовать средний диаметр вписанной в восьмигранник окружно-сти, т.е. для нашего примера dоб = 52 мм, значит

385,152

721 об

об d

dK , что меньше предельного

значения для стальных труб с относительной

толщиной стенки 06,072

40 срd

SS коэффи-

циента обжима [Коб]=1,388, поэтому операция

обжима может быть проведена в холодном со-стоянии за один переход.

Максимальное по абсолютной величине сжимающее напряжение при обжиме рассчиты-вается по зависимости, предложенной автором работы [1]:

cos231ln1

*1

12,0

max

mобK

m

BобK

обK

b (4)

где ctgb ; 2,0)exp(

)exp(

n

nnm

в

в – показатель

деформационного упрочнения;

2,0

**

B

B ;

m

R

RRBB

1

1

3

22

* ;

m

в

n

n

R

RB 2,0)exp(

2

1

2

3

;

σв – временное сопротивление; )1ln( рn ;

390450 RRR

R

- коэффициент трансверсаль-

ной анизотропии;

1. Параметры используемых труб

Масса 1 м труб, кг, при толщине стенки, мм Наружный диаметр, мм 3 3,2 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8

76 5,40 5,74 6,26 7,10 7,94 8,76 9,56 10,36 11,14 11,91 12,67 13,42

89 - - 7,38 8,36 9,38 10,36 11,33 12,28 13,23 14,16 15,07 15,98

102 - - 8,50 9,67 10,82 11,96 13,09 14,21 15,31 16,60 17,48 18,55

108 - - - 10,26 11,49 12,70 13,90 15,09 16,27 17,44 18,59 19,73



R0; R45; R90 – коэффициенты анизотропии в на-правлении соответствующих углов к направле-нию линии прокатки.

Предпроектные исследования в виде анали-тического расчета по приведенным зависимо-стям способствовали определению рациональ-ной схемы деформирования при изготовлении конструктивных элементов рассматриваемой детали.

Для стали 20 в соответствии с имеющимися данными [5, 9] располагаем численными значе-ниями необходимых для расчета характери-стик:

- коэффициенты анизотропии по соответст-вующим направлениям R0 = 0,81, R45 = 0,69, R90 = 0,72;

- равномерное относительное удлинение δр = 0,24;

- коэффициенты деформационного упрочне-ния n = 0,22; m = 0,403.

В табл. 2 представлены значения напряжения текучести и предела прочности в зависимости от температуры деформации.

На рис. 3 представлены графики изменения радиальных напряжений σρmax для операций раздачи (а) и обжима (б). Рис. 3, а отражает из-менение радиальных напряжений на операции раздачи в зависимости от коэффициента трения μ и температуры деформации. Следует отме-тить, что эксперимент по формированию плос-кого фланца на детали проводился при локаль-ном нагреве заготовки до температуры Т=900°С. Рис. 3, б иллюстрирует незначительное влияние анизотропии механических свойств трубного проката на величину максимальных радиальных напряжений при обжиме участка с гранями.

a)

б)

Рис. 3. Изменение максимальных по величине радиальных напряжений: а – штамповка плоского фланца: 1 – 20оС; 2 – 500оС;3 – 600оС; 4 – 700оС; 5 – 900оС; 6 – 1100оС; б – операция обжима участка под ключ: 1 – R=1,50; 2 – R=0,74; 3 – R=1,00

2. Значения напряжения текучести и предела прочности стали 20

Т, °С 20 200 300 400 500 700 800 900 1000 1100 1200

σ0,2, МПа 280 230 170 150 140 93* 58* 40* 22* 15* 11*

σв, МПа 430 405 415 340 245 130 89 75 47 30 20

* - экстраполированные значения



Рис. 4. Деталь, полученная комбинированиемопераций пластического деформирования

Для реализации технологического процесса

был спроектирован и изготовлен набор сменной штамповой оснастки: ступенчатый пуансон для раздачи с коническими участками с углами 16° на длине 60 мм и 45° на длине 40 мм; восьми-гранная матрица для обжима с заходной частью с углом конусности α=16°.

Проведенные экспериментальные исследова-ния подтвердили достоверность расчетов, что позволило из трубной заготовки отштамповать деталь без дефектов с необходимыми размерами и формой (рис. 4). Требуемая сила деформиро-вания плоского фланца детали в горячем со-стоянии, рассчитанная по зависимости (2), со-ставила Р=137,3 кН.

Выводы

1. Устойчивое протекание процессов дефор-мирования во многом зависит от степени при-ближения текущих технологических параметров к их предельным для данного материала значе-ниям, поэтому предварительно, перед реализа-цией технологии, следует проводить предпро-ектные исследования, включающие аналитиче-ский расчет или моделирование вариантов тех-

нологии, а затем принимать решение по выбору рациональной схемы.

2. Применение операций обжима и раздачи в условиях мелкосерийного производства позво-ляет изготавливать полые детали различных форм и размеров, что повышает эффективность производства за счет применения в качестве за-готовок трубного проката и, как следствие, за счет удешевления штамповой оснастки, т.к. сменные рабочие детали в этом случае доста-точно просты в изготовлении.


1. Аверкиев А.Ю. Формоизменение трубной за-готовки при раздаче и обжиме. Ч. 2. Обжим кониче-ской матрицей // Кузнечно-штамповочное производ-ство. Обработка металлов давлением. №3. 2000. С. 7 - 11.

2. Нечепуренко Ю.Г., Трегубов В.И., Яков-лев С.П., Яковлев С.С. Теория формообразующих операций листовой штамповки. Тула: Изд. ТулГУ, 2007. 245 с.

3. Пилипенко О.В. Обжим и раздача трубных заготовок из анизотропных материалов // Заготови-тельные производства в машиностроении. 2007. №11. С.18-23.

4. Гречников Ф.В. Деформирование анизотроп-ных материалов. М.: Машиностроение, 1998. 446 с.

5. Артес А.Э., Сосенушкин Е.Н., Третью-хин В.В., Махдиян А. Групповые технологические процессы штамповки трубных переходов в мелкосе-рийном и серийном производстве // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2007. №7. С. 18-24.

6. Артес А.Э., Сосенушкин Е.Н., Третью-хин В.В. Технологические возможности горячей объемной штамповки деталей арматуры из центро-бежно-литых чугунных труб // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2008. №10. С. 30 - 32.

7. ГОСТ 8732-78. Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Сортамент.

8. Горбунов М.Н. Штамповка деталей из труб-чатых заготовок. М.: Машгиз, 1960. 190 с.

9. Марочник сталей и сплавов. / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А. Вяткин и др./ Под общ. ред. В.Г. Сорокина. М.: Машиностроение. 1989. 640 с.

Высокоэффективные машиностроительные технологии на основе ГПС нового поколения


Работа выполнена на кафедре «Системы пластического деформирования» МГТУ «Станкин».

Сосенушкин Евгений Николаевич – д-р техн. наук, профессор. [email protected]. Артес Алексей Эдуардович – д-р техн. наук профессор. Яновская Елена Александровна – старший преподаватель. Хачатрян Давид Викторович – бакалавр техники и технологий. Sosenushkin Evgeny Nikolayevich - doctor of technical sciences, professor. [email protected]. Artes Aleksey Eduardovich – doctor of technical sciences, professor. Yanovskaya Elena Aleksandrovna – major teacher. Khachatryan David Viktorovich – bachelor of technique and technology.

УДК 621.9-114 А.А.Кутин, М.В.Туркин

A.A.Kutin, M.V.Turkin


High efficiency production technologies based on new generation of FMS

Рассмотрены вопросы разработки и реализации высокоэффективных машиностроительных технологий,

обеспечивающих эффективное функционирование ГПС нового поколения. Комплексное решение проблемы вклю-чает автоматизацию технологической подготовки производства, совмещенную с созданием оснастки, инстру-ментального обеспечения, контроля качества выпускаемых изделий и диагностики системы.

This paper deals with the development of high efficiency production technologies which provide reliable functioning

of FMS. Complex solving of this problem include automated process planning combined with fixtures development, pro-vision of required tools, in process quality control and system diagnostics.

Ключевые слова: гибкая производственная система (ГПС), автоматизация производства, инструментальное

обеспечение, автоматизированный контроль качества Key words: flexible manufacturing system (FMS), manufacturing automation, tool control, automated quality control

Введение

Развитие современного машиностроительно-го производства требует повышенной гибкости как в номенклатуре, так и в объемах производи-мых изделий.

Необходимость выпуска единичных деталей машиностроительных производств в составе сложных изделий является определяющим

фактором при выборе технологического обору-дования в пользу единичных станков с ЧПУ. Однако такой подход (наряду с преимущества-ми универсальности использования раздельных единиц оборудования в производственном цик-ле изготовления изделия) имеет и ряд сущест-венных недостатков:



1) значительные временные затраты на пере-наладку оборудования при смене обрабатывае-мой детали (изменение номенклатуры);

2) простои оборудования при временном разрыве в графике поступления заготовок, в рамках нескольких изделий;

3) невозможность эксплуатации оборудова-ния в автономном режиме для различных изде-лий, особенно в ночные смены;

4) малоэффективная структура оптимизации технологических процессов.

Все вышеперечисленные недостатки исклю-чены при использовании гибких производствен-ных систем (ГПС) в рамках классических по-следовательных технологических систем, но эффективность их применения прямо пропор-циональна объемам выпуска детали и обратно пропорциональна существующей номенклатуре изделий, особенно при различном количестве технологических операций, исключающем воз-можность 100%-ной загрузки всех производст-венных модулей. Именно поэтому в единичном производстве эффективность эксплуатации ав-томатизированных производственных систем оказывается зачастую ниже, чем эксплуатация раздельного оборудования (рис. 1).

С учетом вышеизложенного разработана концепция формирования параллельных авто-матизированных комплексов технологического оборудования для решения задач изготовления изделий в наукоемких производствах с широкой номенклатурой сборочных единиц небольшой серии. В основу концепции заложены следую-щие положения:

1) максимальная готовность оборудования к интеграции даже в полностью автоматизиро-ванное производство без участия человека;

2) компактное расположение компонентов системы, отвечающее требованиям заказчика;

3) максимальное сокращение времени вы-полнения вспомогательных операций за счет программной логики и оптимизации времени выполнения операций и настройки.

Основным моментом данной концепции яв-ляется модульный подход к построению гибкой производственной системы (ГПС) на основе максимальной адаптации стандартных обраба-тывающих компонентов применительно к рабо-те в составе модулей.

Именно это позволяет обеспечить готовность оборудования к работе полностью в автомати-зированном режиме, без участия человека.

Рис. 1. Совокуп-ные временные затраты при об-работке деталей (Nп – количество однотипных дета-лей, T – совокуп-ное время обра-ботки)



Кроме того, данный подход позволяет макси-мально сократить время вспомогательных опе-раций и проводить оптимизацию выполняемых операций за счет глубокой интеграции специа-лизированного программного обеспечения. Ос-новные модульные компоненты объединяются с учетом индивидуальных требований и с учетом специализации по типу выпускаемой продукции для создания максимально компакт-ной ГПС, соответствующей требованиям произ-водства.

В основе ГПС лежит принцип объединения производственных, измерительных, транспорт-ных и других вспомогательных элементов в ав-томатизированную систему, способную рабо-тать в автономном режиме (рис. 2).

Эффективное функционирование ГПС ново-го поколения требует наличия механизмов, спо-собных решать следующие задачи:

1) технологическая подготовка производства «точно в срок»;

2) диагностика системы; 3) инструментальное обеспечение; 4) контроль качества выпускаемых изделий. Наличие каждого из вышеперечисленных ме-

ханизмов требует разработки и реализации оп-ределенных технологий.

Технологическая подготовка производства

На большинстве крупных машиностроитель- ных предприятий, выпускающих сложную нау-коемкую продукцию, используется распреде-ленная по цеховым технологическим бюро структура технологической подготовки произ-водства, которая отделена от инструментально-го производства, создающего необходимую ос-настку.

Подобный подход недопустим для техноло-гической подготовки производства в рамках ГПС, требующей совмещения процесса разра-ботки технологии, написания управляющих программ для обрабатывающих и измеритель-ных станций системы, а также создания необхо-димой технологической оснастки.

При использовании ГПС для производства широкой номенклатуры изделий особенно остро встает вопрос о разработке необходимой осна-стки, обеспечивающей требуемую точность, а также минимальное время переналадки. Данная проблема может решаться следующими спосо-бами:

1) создание специализированной оснастки для каждого производимого изделия;

2) создание модульной оснастки для опреде-ленных групп изделий;

3) создание фазоизменяемой оснастки.

Рис. 2. Схема типовой ГПС



Применение специализированной оснастки разумно только при условии, что номенклатура производимых изделий является небольшой. Примером использования подобного подхода может служить оснастка, применяемая в ГПС на заводе фирмы Airbus (Великобритания) [2], где номенклатура производимых на ГПС изделий равна десяти.

Модульная оснастка позволяет сократить ко-личество приспособлений, необходимых при наличии широкой номенклатуры производимых изделий, путем использования стандартных элементов в рамках определенных групп дета-лей (рис. 3). Основным недостатком сущест-вующих наборов модульной оснастки является высокая сложность процесса сборки, требующая высококвалифицированной рабочей силы, что приводит к длительной подготовке производст-ва и усложняет процесс переналадки [3].

Фазоизменяемая оснастка основана на прин-ципе изменения фаз материалом, использую-щим способность некоторых классов материа-лов менять состояние из жидкого в твердое и обратно в жидкое. Оснастка подобного типа обычно состоит из контейнера, наполненного одним из этих специальных материалов. Проце-дура фиксации начинается, когда двухфазный

материал оснастки находится в жидком состоя-нии. Деталь сначала погружается в жидкость, которая практически не оказывает сопротивле-ния процессу погружения, а потом материал ос-настки под действием внешних сил меняет со-стояние из жидкого в твердое. Данное действие закрепляет деталь перед последующими опера-циями обработки. По окончании этих операций изъятие детали из оснастки достигается путем перехода фазы обратно в жидкое состояние [4]. Использование подобных приспособлений в ГПС затрудняется в связи с необходимостью промывки деталей после их изъятия из оснастки.

Характерной особенностью технологической подготовки для ГПС является необходимость одновременного создания маршрутной, опера-ционной технологии и управляющей программы для обрабатывающих центров, входящих в со-став системы.

Эффективное функционирование данного подхода требует наличия базы данных трехмер-ных моделей совместно с соответствующими технологическими процессами и управляющими программами для изделий, производимых на ГПС [5].

Рис. 3. Пример модульной оснастки



Диагностика системы

Попытки создать автономно работающую ГПС активно предпринимались в 80-х гг. про-шлого века, но низкая надежность обрабаты-вающего технологического оборудования и сис-тем управления не позволили создать желаемую систему. Примером такой системы являлась Small Parts Flexible Manufacturing System, разра-ботанная американской фирмой Westinghouse Electric Corporation в конце 1983 г. [5], а также ряд отечественных систем [1].

Основной причиной низкой надежности пер-вых образцов ГПС является отсутствие уст-ройств, способных реагировать на возмущения, возникающие в процессе функционирования системы. Возмущения, появляющиеся в систе-ме, представляют собой события, вызванные разностью между ожидаемыми и измеренными значениями параметров системы. Таким обра-зом, современная ГПС должна иметь встроен-ные механизмы диагностики, позволяющие сле-дить за параметрами ключевых элементов сис-темы.

Диагностика системы должна проводиться как на уровне отдельных обрабатывающих цен-тров в виде измерения текущих показателей оборудования (наличие и износ режущего инст-румента, подача СОЖ, температурные дефор-мации шпинделя, чистота рабочей зоны и уда-ление стружки), так и на уровне управления всей ГПС (состояние обрабатываемых изделий, положение и маршрут движения палет, статус обрабатывающих и измерительных центров).

Инструментальное обеспечение

Отличительной особенностью ГПС нового поколения является возможность автономной работы в выходные дни, что требует наличия нужного количества необходимого инструмента в системе в течение всего цикла автономной ра-боты.

Проблема инструментального обеспечения решается двумя способами:

1) наличием расширенного инструменталь-ного магазина;

2) использованием инструментального скла-да.

Использование инструментального склада в

рамках ГПС требует наличия сложной автома-тизированной схемы выбора инструмента на складе, его доставки и загрузки на обрабаты-вающий центр. В свою очередь, использование расширенного инструментального магазина не требует подобной схемы, что повышает надеж-ность системы. Однако учитывая, что оборудо-вание должно быть обеспечено инструментом в течение 48 ч автономной работы, емкости рас-ширенного инструментального магазина может не хватить. Примером успешного использова-ния расширенного инструментального магазина может служить ГПС на заводе Airbus в Велико-британии [2]. Основой системы являются три горизонтальных пятикоординатных фрезерных станка Makino MAG3.H, каждый из которых имеет расширенный инструментальный магазин объемом 120 единиц, что позволяет эффективно функционировать в течение 48 ч в автономном режиме.

Контроль качества

Учитывая особенности функционирования ГПС в автономном режиме, необходим меха-низм контроля качества производимых на ГПС изделий. Необходимым элементом любой ГПС должна быть измерительная станция для про-верки геометрии как заготовок, так и готовых изделий. Широко применяемые на машино-строительных производствах координатно-измерительные машины имеют низкую произ-водительность, что не позволяет использовать их в рамках ГПС.

Альтернативной технологией, способной провести требуемый контроль геометрической точности, являются фотограмметрические сис-темы (рис. 4).

В основе этого контроля лежит принцип ис-пользования оптических систем для построения трехмерной модели детали. Данный подход обеспечивает требуемую скорость измерений, а также упрощает процесс управления измери-тельной установкой, так как она не требует на-писания управляющих программ для каждой отдельной детали. Точность наиболее совер-шенных фотограмметрических систем - до 5 мкм. Примером использования оптической системы контроля в рамках ГПС может служить



установка контроля сварных швов, используе-мая на заводе фирмы Toyota в Японии [7].

Для повышения надежности системы необ-ходимо иметь механизм контроля геометрии за-готовок на обрабатывающем центре. Пример подобного механизма - измерительный щуп, принцип работы которого построен на отгиба-нии стержня щупа при соприкосновении с изме-ряемой заготовкой: система ЧПУ фиксирует фактическое положение оси измерительного прибора и, таким образом, в системе форми-руется обвод измеряемой заготовки. В случае простых двумерных заготовок возможно приме-нение бесконтактных измерительных приборов, использующих лазерные дальномеры. Данный подход позволит определить правильность вы-бранной заготовки до начала её механической обработки.

Заключение

Эффективное функционирование гибкой производственной системы в условиях совре-менного машиностроительного производства возможно только при наличии высокоэффек-тивных машиностроительных технологий, по-зволяющих обеспечить:

- автоматизированную технологическую подготовку производства, совмещенную с соз-данием гибкой оснастки;

- контроль качества производимых изделий; - диагностику системы и инструментального

обеспечения.


1. Селиванов С.Г., Гузаиров М.Б., Кутин А.А. Инноватика: Учебник для вузов. М.: Машинострое-ние, 2008. 721 с.

2. Flexible manufacturing cell for Superjumbo wing rib manufacture, Aircraft Engineering and Aerospace Technology, Vol. 75 Iss: 6, 2006.

3. Workholding in the flexible system, M. Ogorek, Manufacturing Engineering, July 1985.

4. Phase Change Fixturing for Flexible Manufactur-ing Systems, M.V. Gandhi, B.S. Thompson, Journal of Manufacturing Systems Vol. 4/No. 1, 1992.

5. Automated design of modular fixtures for flexi-ble Manufacturing Systems, M.V. Gandhi and B.S. Thompson, Manufacturing Systems, Vol. 5, No. 4, 1986.

6. Handbook of Jig and Fixture Design, W.E. Boyes, 1995.

7. Flexible manufacturing systems: recent develop-ments, A. Raouf, M. Ben-Daya, 1998.

8. Fixtures for small batch production, B. Krauskopf, Manufacturing Engineering, 1984.

Рис. 4. Установка для автоматизированного контроля качества на основе фотограммет-рической системы

Азотирование режущего инструмента в плазме, получаемой ионизацией газа пучком…


Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения МГТУ «Станкин».

Кутин Андрей Анатольевич – д-р техн. наук профессор, заведующий кафедрой. (499) 972-94-49 Туркин Михаил Владимирович – аспирант. (985) 229-66-01 Kutin Andrey Anatolievich - doctor of technical sciences professor, head of a chair. (499) 972-94-49 Туркин Михаил Владимирович – post graduate. (985) 229-66-01

УДК 621.9.025.623

С.Н.Григорьев, Ю.А.Мельник, А.С.Метель, В.В.Панин, А.Н.Пономарев

N.Grigoriev, Yu.A.Melnik, A.S.Metel, V.V.Panin, A.N.Ponomarev

Азотирование режущего инструмента в плазме, получаемой ионизацией газа пучком быстрых нейтральных молекул азота

Cutting tools nitriding in plasma produced through gas ionization by fast neutral nitrogen molecules beam

Режущие пластины из быстрорежущей стали азотируют в плазме, образованной при давлении азота

0,2…1 Па в камере объемом V ≈ 0,12 м3 пучком диаметром ~ 0,2 м с током 0,1…1 А нейтральных молекул азота с энергией 1…4 кэВ. Пучок позволяет нагревать изделия до 800 оС и уже при достижении 500 оС обеспечивает эффективную термодиффузию азота в быстрорежущую сталь. Быстрые молекулы ионизуют газ в камере, причем концентрация образуемой плазмы максимальна на оси пучка, а за его пределами снижается в несколько раз. Несамостоятельный тлеющий разряд между погруженным в плазму анодом и камерой при напряжении между ними 200…300 В снижает неоднородность плазмы до 10% и на порядок повышает ее концентрацию. После выдержки в течение 1 ч в плазме разряда при 500 оС изолированных от камеры режущих пластин из ста-ли Р6М5 их микротвердость повышается от 950HV до 1350HV, а радиус режущей кромки в среднем снижается от 21 до 19 мкм.

Cutting plates made of high-speed steel are being nitrided in plasma produced at nitrogen pressure 0.2 – 1 Pa in a

chamber volume V ≈ 0.12 m3 by 0.2-m-diameter beam of fast neutral nitrogen molecules with 1 - 4-keV energy and 0.1-1-A current. The beam allows heating of workpieces up to 800 оС and at 500 оС ensures effective thermodiffusion of nitro-gen in high-speed steel. Fast molecules ionize gas in the chamber, density of produced plasma being maximal at the beam axis and many times lower beyond the beam. Non-self-sustained glow discharge between the chamber and an anode im-mersed in the plasma at a voltage 200 – 300 V reduces the plasma non-uniformity down to 10% and raises the plasma density by order of magnitude. After 1-hour-long soaking at 500 оС in discharge plasma of isolated from the chamber cutting plates made of R6M5 steel their microhardness rises from 950HV up to 1350HV, and the mean radius of cutting edges decreases from 21 down to 19 μm.

Ключевые слова: азотирование, микротвердость, плазма, пучок, ионы, разряд. Key words: nitriding, microhardness, plasma, beam, ions, discharge.



Введение

Ионное азотирование поверхности режущего инструмента перед осаждением на него сверх-твердого покрытия значительно улучшает его рабочие характеристики и увеличивает срок службы. Азотированный поверхностный слой толщиной до 100 мкм характеризуется высоки-ми несущей способностью и усталостной проч-ностью, предотвращает упругие и пластические деформации основы, а следовательно, хрупкое разрушение осажденного на нем тонкого сверх-твердого покрытия толщиной 2…5 мкм [1]. В большинстве случаев используют иммерсион-ное азотирование: на инструмент, погруженный в азотную плазму, подают напряжение смеще-ния отрицательной полярности до 1 кВ, вытяги-вающее из плазмы ионы азота и ускоряющее их. Эти ионы нагревают инструмент до эффектив-ной температуры термодиффузии активного азота, проникающего в материал через его по-верхность. Время нагрева зависит от массы ин-струмента, а время азотирования соизмеримо с временем осаждения покрытия и составляет 30…60 мин.

Примером осаждения на инструмент сверх-твердых покрытий после его предварительного азотирования в той же рабочей камере является технология комбинированной обработки изде-лий [2, 3], включающей синтез покрытия из ак-тивного газа, например азота, и металлической плазмы, поступающей в камеру из катодных пя-тен вакуумно-дугового разряда. Предваритель-ное азотирование изделий происходит в газовой плазме, получаемой ионизацией азота эмити-руемыми теми же катодными пятнами и сепари-руемыми из металлической плазмы электрона-ми.

Распределение плотности тока ji вытягивае-мых из плазмы ионов по поверхности режущего инструмента резко неоднородно. На режущей кромке плотность тока на два порядка превыша-ет ее среднее значение, что приводит к интен-сивному распылению кромки и значительному увеличению ее радиуса, а следовательно, к зату-плению инструмента. Избежать затупления можно лишь отказавшись от иммерсионного ме-тода и нагревая изделия широким пучком уско-ренных частиц с однородным распределением плотности их тока по сечению пучка. Это могут

быть ионы, быстрые нейтральные молекулы или электроны. Однако при нагреве электронным пучком необходимо дополнительно использо-вать какой-либо независимый метод заполнения камеры активной азотной плазмой. При опти-мальных для азотирования давлениях азота 0,1…1 Па большинство ионных источников не-работоспособны. Если же при указанном давле-нии все-таки удается получить пучок ускорен-ных молекулярных ионов азота, то на расстоя-нии от него 0,015…0,15 м в результате столкно-вения ионов в камере с молекулами газа они пе-резаряжаются и превращаются в быстрые ней-тральные молекулы азота.

Источники быстрых нейтральных молекул на основе тлеющего разряда с большим холодным полым катодом [4, 5] являются идеальным сред-ством для нагрева изделий в вакууме и поддер-жания необходимой рабочей температуры при азотировании. При достаточном давлении азота в камере быстрые молекулы могут сами возбу-ждать и ионизовать газ, заполняя камеру актив-ной азотной плазмой. В статье показаны генера-ция широким пучком быстрых нейтральных мо-лекул азота в вакуумной камере технологиче-ской установки «Булат-6» активной азотной плазмы, ее характеристики и азотирование в плазме режущих пластин из стали Р6М5.

Экспериментальная установка

Схема экспериментальной установки пред-ставлена на рис. 1. На вакуумной камере 1 диа-метром 500 мм установлен источник пучка круглого сечения быстрых нейтральных моле-кул, описанный в [6]. Его основными элемента-ми являются полый титановый катод 2 диамет-ром 210 мм и глубиной 90 мм, дисковый анод 3 диаметром 28 мм в центре дна катода, а также эмиссионная сетка 4, изготовленная из листа титана толщиной 2 мм с распределенными внутри окружности диаметром 180 мм отвер-стиями диаметром 4,6 мм на расстоянии 5 мм между центрами соседних отверстий. Расстоя-ние от сетки 4 до противоположной стенки ка-меры составляет около 0,7 м. В камеру введена керамическая трубка 5 с укрепленным на ней плоским зондом 6 толщиной 0,5 мм, шириной 10 мм и высотой 20 мм, который можно пере-мещать внутри камеры как вдоль, так и поперек



Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 – вакуумная камера; 2 – полый катод; 3 – анод; 4 – сетка; 5 – керамическая трубка; 6 – плоский зонд; 7 – ввод на-пряжения; 8 – электрод; 9, 10 и 23 – ис-точники питания; 11 – плазменный эмиттер; 12 и 26 – слои положительного объемного заряда; 13, 17 – ионы; 14 – плазма; 15 – молекула газа; 16 – быст-рая молекула; 18 – резистор обратной связи; 19 – киловольтметр; 20, 21 и 25 – амперметры; 22, 24 – вольтметры

оси. На верхнем фланце установлен ввод на-пряжения 7, а на расстоянии ~150 мм от фланца подвешен плоский электрод 8 с площадью по-верхности 0,03 м2.

Давление газа измеряется вакуумметром ВИТ-3 с ионизационными датчиками ПМИ-2 и ПМИ-51. Камера 1 откачивается диффузионным насосом до давления 3х10–3 Па, а затем в нее подают азот. Давление азота регулируется игольчатым натекателем в диапазоне от 0,2 до 1 Па. В полый катод 2 источника пучка газ попадает из камеры 1 через сетку 4.

При подаче ускоряющего напряжения 1…4 кВ от источника питания 9 между анодом 3 и сеткой 4, а также напряжения в несколько со-тен вольт от источника питания разряда 10 меж-ду анодом 3 и полым катодом 2 при давлении азота 0,2…1 Па зажигается тлеющий разряд с электростатическим удержанием электронов [7, 8], и в катодной полости появляется одно-родное свечение плазменного эмиттера 11. Ка-тод 2 и отрицательная по отношению к нему сетка 4 образуют ловушку для эмитированных катодом и образованных в катодном слое быст-рых электронов. Ток разряда в цепи анода 3 ре-гулируется изменением напряжения источника 10 и при давлении 0,2…1 Па достигает несколь-ких ампер. Ускоренные в слое 12 положитель-ного объемного заряда между эмиттером 11 и сеткой 4 ионы 13 через отверстия сетки попа-дают во вторичную плазму 14, где при столкно-

вениях с молекулами газа 15 превращаются в быстрые нейтральные молекулы 16.

При протекании тока поступающих на стенки камеры 1 ионов 17 через резистор обратной свя-зи 18 сопротивлением 3 кОм на сетке 4 индуци-руется отрицательный потенциал 100…200 В, исключающий проникновение электронов из плазмы 14 в плазменный эмиттер 11. Следова-тельно, образованные в камере 1 электроны вместе с инжектированными в камеру и образо-ванными в ней ионами поступают на ее стенки. Измеренный термоэмиссионным зондом потен-циал плазмы 14 выше потенциала камеры 1 все-го лишь на несколько вольт, поэтому энергия влетающих в камеру 1 ионов 13 и быстрых мо-лекул азота 16 равна величине, соответствую-щей измеряемому киловольтметром 19 напря-жению между анодом 3 и камерой 1.

Эффективный диаметр пучка, равный вблизи эмиссионной сетки 180 мм, по мере удаления от нее увеличивается из-за неоднородности элек-трического поля у сетки 4 и многократных столкновений с молекулами газа в камере. Эк-вивалентный ток пучка Ib можно принять рав-ным измеряемому амперметром 20 току ионов 13, покидающих поверхность плазменного эмиттера 11 в сторону сетки, помноженному на ее геометрическую прозрачность 0,8. Ток Ic в цепи катода 2 измеряется амперметром 21, а ка-тодное падение разряда Uc измеряется вольт-метром 22. От источника 23 на погруженный в



плазму 14 электрод 8 можно подавать измеряе-мое вольтметром 24 напряжение U положитель-ной полярности и измерять ток в его цепи ам-перметром 25.

На дне камеры имеется ввод вращения (на рис. 1 не показан), позволяющий размещать в центре камеры и вращать нагреваемые пучком изделия.

Результаты экспериментов

На рис. 2 сплошными кривыми 1 – 4 пред-ставлены зависимости плотности ионного тока на зонд ji от расстояния r до оси пучка при x = 0,3 м, p = 0,2 Па, эквивалентном токе пучка Ib = 0,4 А и его энергии Eb от 1 до 4 кэВ. В пре-делах эффективного радиуса пучка ~ 0,1 м плотность тока ji растет пропорционально энер-гии пучка Eb, а за пределами пучка при r = 0,2 м увеличение Eb в 4 раза сопровождается повы-шением ji всего в 2 раза. Штриховыми кри-

r, м Рис. 2. Зависимости плотности ионного тока назонд ji от расстояния r между ним и осью пучка сэквивалентным током Ib = 0,4 А на расстоянии отэмиссионной сетки x = 0,3 м при давлении азотаp = 0,2 Па (сплошные кривые) и энергии пучкаEb = 1 кэВ (кривая 1), Eb = 2 кэВ (кривая 2),Eb = 3 кэВ (кривая 3) и 4 кэВ (кривая 4), а такжепри Eb = 4 кэВ и давлении p = 0,5 Па (штриховаякривая 5), p = 0,9 Па (кривая 6) и p = 1,5 Па(кривая 7)

выми 5 – 7 на рис. 2 представлены зависимости ji(r) при x = 0,3 м, Ib = 0,5 А, Eb = 4 кэВ и давле-нии p от 0,5 до 1,5 Па.

На рис. 3 представлены зависимости тока I в цепи электрода 8 от напряжения U между ним и камерой 1 при давлении азота p = 0,5 Пa, экви-валентных токах пучка Ib = 0,1 A и 0,2 А, и энергии пучка Eb от 1 до 4 кэВ. Штрихпунктир-ной кривой представлена вольт-амперная харак-теристика разряда при p = 0,5 Пa и выключен-ном источнике пучка. При повышении U раз-ность потенциалов между камерой 1 и плазмой 14 также увеличивается. Электрическое поле в слое 26 (рис. 1) положительного объемного за-ряда между ними отражает электроны от стенок камеры 1 и постепенно переключает ток элек-тронов из ее цепи в цепь электрода 8. С повы-шением U от ~ 0,5 до ~ 10 В ток разряда I быст-ро растет от нуля до определенного значения Iо, а затем скорость его роста dI/dU снижается на порядок. С ростом энергии Eb инжектируемого в камеру пучка от 1 до 4 кэВ ток Iо увеличивается пропорционально Eb.

При U > 20 В скорость dI/dU роста разрядно-го тока снова повышается. Это обусловлено ио-низацией газа электронами, эмитированными

U, В

Рис. 3. Зависимости тока I несамостоятельного разряда от разрядного напряжения U при давле-нии азота p = 0,5 Пa, эквивалентном токе пучка Ib = 0,1 (сплошные кривые) и 0,2 А (штриховые кривые), энергии пучка Eb = 1 кэВ (кривые 1), 2 кэВ (кривые 2) и 4 кэВ (кривые 3). Штрихпунк-тирной кривой представлена вольтамперная ха-рактеристика разряда при p = 0,5 Пa и выклю-ченном источнике пучка



камерой в результате бомбардировки ее стенок пучком быстрых молекул. Эти электроны уско-ряются в слое 26 (рис. 1) между камерой 1 и плазмой 14 до энергии ~ eU, превышающей при U > 20 В порог ионизации азота Ei = 15,6 эВ. При постоянном эквивалентном токе пучка Ib и постоянной энергии быстрых молекул Eb ско-рость роста тока dI/dU повышается с увеличени-ем разрядного напряжения U.

На рис. 4 представлены радиальные распре-деления плотности ионного тока на зонд ji на расстоянии 0,3 м от сетки при разных величинах напряжения несамостоятельного тлеющего раз-ряда в камере. При U = 10 В на оси пучка ji при-мерно в 3,6 раза выше, чем на расстоянии r = 0,2 м от нее, однако с увеличением U до 300 В радиальная неоднородность ji снижается до ±9%.

На устройстве вращения в центре камеры были установлены изолированные от нее десять режущих пластин из стали Р6М5 с исходной микротвердостью 950HV и средним радиусом режущей кромки 21 ± 3 мкм. При давлении азо-та 0,5 Па, напряжении несамостоятельного раз-ряда 100 В, энергии 4 кэВ и эквивалентном токе пучка от 0,2 до 0,3 А вращающиеся пластины были нагреты пучком до температуры 500 оС и выдерживались при этой температуре в азотной плазме в течение 1 ч. Постоянство температуры в процессе обработки обеспечивалось регули-ровкой тока пучка. В результате азотирования

микротвердость повысилась в среднем до 1350HV, при этом радиус режущей кромки не увеличился, а напротив снизился до 19 ± 3 мкм.

Обсуждение результатов

Зависимости пространственного распределе-ния концентрации плазмы внутри камеры от энергии, эквивалентного тока пучка и давления азота свидетельствуют о том, что в отсутствие в камере газового разряда газ ионизуют лишь бы-стрые нейтральные молекулы пучка. Это под-тверждают и приведенные на рис. 2 радиальные распределения плотности тока ионов на зонд. Они показывают, что с увеличением энергии пучка и давления наибольший рост концентра-ции плазмы наблюдается в пределах эффектив-ного радиуса пучка r < 0,1 м. Из этой области пространства плазма диффундирует за пределы пучка, где ее концентрация быстро снижается с ростом расстояния от оси. Необходимо, однако, подчеркнуть, что в широком диапазоне измене-ния параметров этой плазмы все образованные в камере ионы и электроны поступают на ее стен-ки, причем разность между током ионов и током электронов в цепи камеры всегда равна эквива-лентному току пучка Ib.

Определить число образованных в камере электронов позволяют вольт-амперные характе-ристики несамостоятельного разряда (рис. 3). При увеличении разрядного напряжения U до 10 В ток разряда практически перестает рас-

Рис. 4. Зависимости плот-ности ионного ji тока на зонд от расстояния r меж-ду осью пучка с эквива-лентным током Ib = 0,2 А и зондом на расстоянии от эмиссионной сетки x = 0,3 м при давлении азота p = 0,5 Па, энергии пучка Eb = 1 кэВ и напряжении несамостоятельного раз-ряда U: 1 - 10 В, 2 - 50 В, 3 - 100 В, 4 - 150 В, 5 - 200 В, 6 - 250 В, 7 - 300 В

r, м



ти, так как в этот момент в точке излома харак-теристики при U = 10 В он становится равным току Iо всех электронов, образованных в камере.

Этот ток Iо является суммой тока электронов, образованных в результате ионизации газа бы-стрыми молекулами и тока электронов, эмити-рованных стенками камеры, причем оба тока пропорциональны мощности пучка.

Отношение тока электронов, образованных при ионизации, к току электронов, эмитирован-ных камерой, возрастает с увеличением давле-ния. Например, увеличение давления азота от 0,2 до 0,5 Па при Eb = 2 кэВ и Ib = 0,2 А не влия-ет на ток эмиссии электронов камерой, но при-водит к увеличению тока Iо примерно в 2 раза. В данном случае весь прирост разрядного тока обусловлен исключительно ионизацией газа бы-стрыми молекулами.

Таким образом, широкий пучок быстрых нейтральных молекул азота ионизует газ в ка-мере и в результате образует в ней плазму, кон-центрация которой возрастает с увеличением энергии и тока пучка, а также давления газа. Недостатком плазмы является ее неоднород-ность: в области прохождения пучка она много-кратно превышает концентрацию плазмы за его пределами. Для повышения однородности необ-

Рис. 5. Схемы травления режущего инструмента,погруженного в однородную азотную плазму, ио-нами, вытягиваемыми из нее и ускоряемыми в слое положительного объемного заряда между ними (слева), а также широким пучком быстрых нейтральных молекул (справа): 1 и 5 – режущий клин; 2 – плазма; 3 – ионы; 4 – слой положительного объемного заряда; 6 – быстрые ней-тральные молекулы

ходимо обеспечить однородность ионизации газа во всем пространстве внутри камеры, и с этой целью можно использовать эмитированные камерой вторичные электроны, которые при на-пряжении несамостоятельного разряда U < 20 В лишь повышают величину разрядного тока, а в ионизации газа практически не участвуют.

При U > 20 В энергия вторичных электронов уже заметно превышает энергию ионизации азота Ei = 15,6 эВ. Они ускоряются в слое 26 (см. рис. 1), многократно отражаются в нем по-сле каждого пролета через плазму 14, а при дос-таточной величине U начинают образовывать в слое электроны с энергией, также превышаю-щей Ei. До попадания на анод 8 с площадью по-верхности Sa = 0,03 м2 быстрые электроны про-ходят внутри камеры объемом V = 0,12 м3 путь L = 4V/Sa = 16 м [8], превышающий диаметр ка-меры 0,5 м в 32 раза. За время пути они успева-ют побывать во всех частях камеры, поэтому вероятность ионизации ими газа распределена по объему камеры достаточно однородно. При U > 150 В вклад в ионизацию газа быстрых электронов превышает вклад быстрых молекул, а концентрация плазмы в камере и однород-ность ее распределения заметно повышаются (рис. 4). Однако и в этом случае разряд в камере остается несамостоятельным и погасает при от-ключении источника пучка.

Отсутствие затупления режущего инструмен-та при его азотировании в плазме несамостоя-тельного тлеющего разряда, поддерживаемого широким пучком быстрых нейтральных моле-кул, можно объяснить с помощью схемы (рис. 5). При подаче на инструмент 1, погру-женный в азотную плазму 2 при давлении газа 0,1…1 Па, отрицательного напряжения 0,1…1 кВ ионы азота 3 вытягиваются из плазмы 2 и уско-ряются в слое 4 положительного объемного за-ряда до энергии 0,1…1 кэВ. Ширина слоя обыч-но превышает 1 мм, поэтому при радиусе режу-щей кромки инструмента 10 мкм радиус плаз-менной границы вблизи нее в сотни раз превы-шает радиус кромки, а плотность тока концен-трирующихся на ней ионов в сотни раз больше, чем на других участках поверхности инстру-мента. В результате скорость распыления кром-ки ионами в сотни раз выше, чем на других уча-стках, что приводит к удалению значитель-



ного количества материала инструмента и уве-личению радиуса его режущей кромки.

Если погруженный в активную азотную плазму 2 инструмент 5 изолирован от камеры и ток в его цепи равен нулю, величина его отри-цательного относительно плазмы плавающего потенциала не превышает 15 В, то энергия ус-коряемых ионов из плазмы меньше порога рас-пыления. Распыляет поверхность лишь пучок быстрых нейтральных молекул 6, при этом ско-рость распыления на режущей кромке такая же, как и на других участках поверхности инстру-мента. При вращении инструмента со всей его поверхности снимается слой материала равной толщины, что приводит к уменьшению радиуса режущей кромки, т.е. к заточке, а не к затупле-нию режущего инструмента.

Выводы

1. Инжектируемый в заполненную азотом при давлении 0,2…1 Па вакуумную камеру ши-рокий пучок быстрых нейтральных молекул азота образует в ней плазму, концентрация ко-торой возрастает с увеличением давления азота, энергии и эквивалентного тока пучка, что сви-детельствует об определяющем вкладе быстрых молекул в ионизацию газа.

2. Концентрация образованной пучком плаз-мы неоднородна и на оси пучка многократно превышает концентрацию вблизи стенок каме-ры. Однако при погружении в нее анода и пода-че на него напряжения 100…200 В несамостоя-тельный тлеющий разряд с током до 1…2 А приводит к снижению пространственной неод-нородности плазмы в камере до ~ 10 % и к мно-гократному увеличению концентрации плазмы.

3. Пучок диаметром d ≈ 0,2 м с плотностью мощности до 105 Вт/м2 позволяет нагревать

вращающийся в камере режущий инструмент из быстрорежущей стали до температуры 500 оС и азотировать его в однородной плазме, создавае-мой пучком и несамостоятельным тлеющим разрядом с электростатическим удержанием электронов. В течение 1 ч микротвердость стали Р6М5 увеличивается от 950 до 1350HV, а радиус режущей кромки снижается в среднем на 2 мкм.


1. Avelar-Batista J.C., Spain E., Housden J., Mat-thews A. et al. // Surf. and Coat. Technol. 2005. V. 200. P. 1954.

2. Sablev L.P., Andreev A.A., Grigoriev S.N., Me-tel A.S. Method and device for treatment of products in gas-discharge plasma. // US Pat. No 5,503,725. Int. Cl. H01S 1/00; H01S 3/00. 1996.

3. Sablev L.P., Andreev A.A., Grigoriev S.N., Me-tel A.S. Method and device for treatment of articles in gas-discharge plasma. // European Pat. No 0 583 478. Int. Cl. H01S 1/00; H01S 3/00.1998.

4. Metel A.S., Grigoriev S.N. Source of fast neutral molecules. // US Pat. № 6285.025. Int. Cl. H01S 1/00; H01S 3/00. 2001.

5. Grigoriev S., Melnik Yu., Metel A. // Surf. Coat. Technol. 2002. V. 156. № 1/3. P. 44.

6. Григорьев С.Н., Мельник Ю.А., Метель А.С., Панин В.В. Источник широкого пучка быст-рых атомов, получаемых при перезарядке ионов, ус-коряемых между двумя областями, заполненными плазмой // Приборы и техника эксперимента. 2009. № 4. С. 166.

7. Метель А.С., Григорьев С.Н. Тлеющий раз-ряд с электростатическим удержанием электронов: физика, техника, применения. М.: Янус-К, 2005.

8. Метель А.С., Григорьев С.Н., Мель-ник Ю.А., Панин В.В. Заполнение рабочей камеры технологической установки однородной плазмой с помощью стационарного тлеющего разряда // Физи-ка плазмы. 2009. Т. 35. № 12. С. 1140.

Работа выполнена на кафедре «Высокоэффективные технологии обработки» и в Центре физико-технологических исследований МГТУ «Станкин».

Григорьев Сергей Николаевич – д-р техн. наук профессор, заведующий кафедрой. (499) 972-94-92; (499) 972-94-00 Мельник Юрий Андреевич – канд. физ.-мат. наук, ст. научный сотрудник. Метель Александр Сергеевич – д-р физ.-мат. наук профессор. (499) 972-95-58 Панин Виталий Вячеславович – аспирант. Пономарев Александр Николаевич – аспирант.



Grigoriev S.N. – director of «VTO» department at MSTU «Stankin», dr. tech. sc., prof. (499) 972-94-92; (499) 972-94-00 Melnik Yu.A. – senior researcher of PTRC at MSTU «Stankin», phd. Metel A.S. – dr. phys.-math. sc. professor of «VTO» department at MSTU «Stankin». (499) 972-95-58 Panin V.V. – postgraduate student of «VTO» department at MSTU «Stankin» Ponomarev A.N. – postgraduate student of «VTO» department at MSTU «Stankin»

УДК 669.14.018.25

Л.С. Кремнев

L.S. Kremnev

Вклад Станкина в создание теории легирования, разработку на ее основе и промышленное внедрение быстрорежущих сталей оптимального состава

Contribution Stankin into the creation of alloying theory, development on it’s basis high-speed steels optimal composition and its commercial introduction

В год 80-летия МГТУ «Станкин» исполняется 100 лет с тех пор, как на Всемирной выставке в Брюсселе впервые была продемонстрирована инструментальная сталь Р18. Резцом из этой стали обрабатывали сталь-ную заготовку с высокой скоростью резания, вызывающей его разогрев до красного каления. Такие стали были названы быстрорежущими, а их основное свойство – красностойкостью (теплостойкостью). Широкое приме-нение быстрорежущих сталей оказало большое влияние на развитие металлообработки и станкоинструмен-тальной промышленности.

Статья посвящена вкладу, который внесла школа металловедов-инструментальщиков кафедры «Металло-ведение» МГТУ «Станкин» в теорию легирования, создание и промышленное внедрение быстрорежущих сталей оптимального состава.

The date of MSTU “Stankin” 80-year anniversary coincided with another important date: one-hundredth anniversary

of the first demonstration of a tool made of revolutionary tool steel R18, which took place at the World Fair in Brussels. The tool was exhibited in a dark room machining a steel billet with the cutting speed enough to heat it up to the red heat temperature. Since that time this class of steel was referred to as High Speed Steels and their major property was termed red-hardness. Wide spread application of High Speed Steels has greatly influenced the development of both metal work-ing production and machine-tool industry.

The article in question highlights the contribution which the school of metal scientists engaged in tool steel researches at Metal Science Department of MSTU “Stankin” made to the theory of alloying and creature Commercial Introduction of High Speed Steels of optimal composition.

Ключевые слова: быстрорежущие стали, теория легирования, промышленное внедрение Key words: High Speed Steels, theory of alloying, commercial introduction

В 2010 г. исполняется 100 лет с тех пор, как впервые на Всемирной промышленной выстав-ке в Брюсселе были продемонстрированы ме-таллорежущие инструменты из стали с содер-жанием ~ 0,7% C и ~ 18% W, применение кото-рых позволило повысить скорость резания от 5…8 до ~ 30…40 м/мин. В результате много-кратно увеличилась производительность обра-ботки – съём стружки возрос от 3…5 до

300 кг/ч. Появление и широкое применение бы-строрежущих сталей вызвали кардинальные изменения в станкостроении. Для обработки с высокими скоростями резания и большим се-чением стружки необходимо было увеличить мощность главного привода станка от 1..2 до 80…100 кВт. В связи с этим впервые на станке установили индивидуальный привод – электро-двигатель, а также зубчатую передачу, т.е. ко-

Вклад Cтанкина в создание теории легирования …


робку скоростей, отказавшись от клиноремен-ной передачи и группового привода на её осно-ве. Из-за возросших сил резания пришлось увеличить и жёсткость станка, поэтому впервые появились его массивные корпусные детали: литые станина, передняя и задняя бабки, изме-нился шпиндельный узел и т.п. Таким образом, в результате появления быстрорежущей стали в основном сформировался облик современного металлорежущего станка.

Состав стали Р18 (С ~ 0,8%, W ~ 18%, Cr ~ 4%, V ~ 1%) сложился к началу 20-х гг. прошлого столетия и сохранился до настоящего времени. Сталь Р18 остаётся по-прежнему од-ной из лучших быстрорежущих сталей среди множества других, разработанных за эти 100 лет.

Вместе с тем быстрорежущие стали по уров-ню и разнообразию легирования, фазовых пре-вращений по способам упрочнения и структуре, а также по противоречию требований, предъяв-ляемых к их эксплуатационным и технологиче-ским свойствам, относятся к наиболее сложным сплавам на основе железа. Кроме того, они от-личаются высокой стоимостью. Длительность применения стали Р18 объясняется тем, что со-держание углерода и легирующих компонентов в ней оказался оптимальным. К сталям опти-мального состава относят те, которые обладают лучшим сочетанием эксплуатационных и тех-нологических свойств при меньшем содержа-нии в них дорогостоящих легирующих компо-нентов, чем в других сталях того же назначения. Естественно, что оптимальный состав стали из-меняется со временем в связи с изменениями свойств обрабатываемых материалов, конст-рукции и технологии производства инструмен-тов, конъюнктуры легирующих компонентов и т.п.

Состав стали Р18 был выбран эксперимен-тально в результате изучения свойств большого количества плавок, в которых в широких преде-лах систематически изменяли содержание угле-рода и легирующих компонентов.

В конце 30-х гг. прошлого столетия на такой же широкой экспериментальной основе была разработана вольфрамомолибденовая быстро-режущая сталь оптимального состава Р6М5, в которой значительная часть наиболее дефицит-ного в то время вольфрама была заменена мо-

либденом. Молибден находится в одной группе и рядом с вольфрамом в периодической системе Д.И. Менделеева, поэтому свойства их соедине-ний с углеродом, т.е. карбидов, весьма схожи. На основе сталей Р18 и Р6М5 созданы много-численные быстрорежущие стали повышенной красностойкости (теплостойкости) с увеличен-ным содержанием ванадия и кобальтовые быст-рорежущие стали марок Р18Ф2, Р6М5Ф3, Р18К10, Р6М5К5 и др.

В настоящее время наряду с этими сталями в стандарты многих стран и в марочники произ-водителей включены десятки марок других бы-строрежущих сталей с различным содержанием углерода и легирующих компонентов. Харак-терным для этих сталей, разработанных также на эмпирической основе, является появление среди них безвольфрамовых и низколегирован-ных вольфрамом быстрорежущих сталей на ос-нове молибдена, концентрация которого изме-няется от 2 до 9%. Появление множества марок сталей разнообразного химического состава объясняется, во-первых, стремлением создать стали с более высоким уровнем свойств и с меньшим в них содержанием легирующих ком-понентов, чем в сталях Р18 и Р6М5 и, во-вторых, отсутствием теории легирования быст-рорежущих сталей. В этом случае судить о ка-честве той или иной стали возможно только по результатам многолетнего опыта производства из неё и применения инструментов широкой номенклатуры и в промышленных масштабах.

Теория легирования быстрорежущих ста-лей [1], разработанная в МГТУ «Станкин», по-зволяет:

1) объяснить причины, по которым стали Р18 и Р6М5 оказались сталями оптимального состава и остаются до настоящего времени од-ними из лучших быстрорежущих сталей;

2) установить уровень легирования и соот-ношения между концентрациями углерода и ос-новных легирующих компонентов, характерных для быстрорежущих сталей оптимального со-става;

3) создавать на их основе или выбирать сре-ди известных стали, состав которых наиболее близок к оптимальному с учётом особенностей и конъюнктуры легирующих компонентов, из-



меняющихся технологий производства и упроч-нения инструментов из этих сталей.

Все быстрорежущие стали упрочняются при отпуске (~ 560оС) в результате дисперсионного твердения, т.е. выделения из пересыщенного углеродом и легирующими компонентами мартенсита большого количества (~ 1016…1018 1/см3) дисперсных частиц (~ 1х10х10 нм) карбидов легирующих компо-нентов. Эти частицы и поля упругих напряже-ний между ними в мартенсите задерживают перемещение дислокаций и поэтому упрочняют стали до 62…69 HRC. В процессе обработки резанием твёрдость режущих поверхностей ин-струмента понижается сравнительно мало при их нагреве до 560оС, обеспечивая тем самым повышенные скорости резания, характерные для быстрорежущих сталей. При нагреве выше 560оС развиваются процессы рекристаллизации мартенсита и коагуляции карбидных частиц: наиболее мелкие из них растворяются в мартен-сите, а крупные, более устойчивые при нагреве, растут за счёт мелких. Таким образом, количе-ство карбидных частиц уменьшается и, следова-тельно, понижается твёрдость инструментов из быстрорежущих сталей. За меру теплостойко-сти принято считать температуру четырех-часового нагрева, после которого сталь, пред-варительно обработанная по стандартной тех-нологии, сохраняет твёрдость не менее 58 HRC.

Естественно, что твёрдость и теплостойкость быстрорежущих сталей тем выше, чем больше количество упрочняющих карбидов и чем выше их свойства – прежде всего устойчивость про-тив коагуляции. Очевидно также, что тепло- стойкость быстрорежущих сталей тем больше, чем выше температура отпуска, обеспечиваю-щего максимальную вторичную твёрдость этих сталей.

Упрочняющими фазами инструментальных сталей и сплавов являются карбиды на основе вольфрама и молибдена М2С: (W2C, Mo2C) [2], ванадия МC (VC), железа и хрома (М23С6), а также интерметаллиды М7

1М611 на основе желе-

за и кобальта (М1), вольфрама и молибдена (М11). Карбиды М23С6 при этом должны содер-жать вольфрам, молибден или ванадий [3], т.е. их состав должен отвечать формуле (Fe, Cr)21(W, Mo, V, Cr)2C6.

Карбиды по уменьшению их количества, не-обходимого для упрочнения быстрорежущих сталей до заданного уровня твёрдости (не менее 62…64 HRC), располагаются следующим обра-зом: М23С6, М2С, МС.

Карбиды по качеству, т.е. по уровню свойств (устойчивости против коагуляции, твёрдости, модулю сдвига, плотности и т.п.) располагаются в порядке его понижения следующим образом: М2С и МС, М23С6.

Количество упрочняющих карбидов увели-чивается по мере повышения растворимости углерода и легирующих компонентов в аусте-ните и, следовательно, в мартенсите тепло-стойких сталей и сплавов в результате закалки.

Наибольшая растворимость в аустените характерна для хрома, далее, по мере уменьше-ния, для молибдена, вольфрама и ванадия.

Свойства дисперсных карбидных частиц за-висят от их химического состава и определяют-ся отношением К концентраций наиболее силь-ных карбидообразующих компонентов и угле-рода в мартенсите, из которого они выделяются в процессе отпуска. Чем больше вольфрама, молибдена, ванадия и меньше углерода раство-рено в мартенсите, тем выше свойства упроч-няющих фаз.

Так, при отношении

К = Σ (W, Mo, V), % (ат.) / C, % (ат.) = 2

упрочняющей фазой являются карбиды на ос-нове вольфрама и молибдена М2С, легирован-ные ванадием.

При К < 2 образуются карбиды М23С6 – (Fe, Cr)21(W, Mо, V)2C. С уменьшением значе-ния К количество карбидов М23С6 возрастает, а карбидов М2С уменьшается. При К>2 в струк-туре упрочняющих фаз появляются интерме-таллиды (М7

1)(М611), количество которых уве-

личивается с ростом значения К, а количество карбидов М2С при этом уменьшается.

Прямые методы определения концентрации углерода в твёрдом растворе закалённых сталей для определения коэффициента К недостаточно надёжны. В связи с этим разработана методика определения концентрации углерода в мартен-сите теплостойких сталей по асимметрии рент-геновских линий отражения [4].



Карбиды МС на основе ванадия сравнитель-но мало упрочняют теплостойкие стали, так как растворимость ванадия в аустените этих сталей весьма ограниченна и не превышает 1…1,5%. Кроме того, стали с повышенным содержанием ванадия плохо шлифуются, так как твёрдость карбидов ванадия (~2500 HV) не меньше твёр-дости зёрен Al2O3 абразивных кругов, наиболее распространённых в промышленности. Вместе с тем ванадий растворяется в большом количест-ве в карбидах М2С и М23С6, заметно повышая твёрдость и теплостойкость сталей.

С повышением температуры отпуска и при-ближением структуры сталей к термодинами-чески равновесному состоянию карбиды МС, М23С6 и интерметаллиды сохраняют свою кри-сталлическую решётку и, в основном, состав, тогда как дисперсные карбиды М2С изменяют как решётку (ГЦК), так и химический состав, превращаясь в стабильные карбиды М6С на ос-нове железа, вольфрама или молибдена со сложной кубической решёткой.

Эти положения разработанной теории леги-рования позволили широко использовать ре-зультаты рентгеноструктурного анализа кар-бидных и интерметаллидных фаз отожжённых теплостойких сталей и сплавов для прогнозиро-вания природы упрочняющих фаз и качествен-ной оценки их количества и соотношений меж-ду ними, сравнивая интенсивность линий отра-жений фаз между собой и ферритом сталей в отожжённом состоянии.

Решить эти задачи, изучая структуру сталей в предельно упрочнённом, т.е. в неравновесном состоянии, методами рентгеноструктурного анализа невозможно в связи с малыми размера-ми частиц упрочняющих фаз, тогда как иные методы исследования в данном случае не всегда однозначны и более сложны.

Предельная температура отпуска ТПТО, на-грев при которой позволяет получить наи-большую твердость инструмента за время, при-нятое на производстве (2…4 ч), не так сильно зависит от количества, природы и свойств уп-рочняющих фаз, как от температуры полиморфного α→γ превращения сплавов на основе железа [5].

Сравнение предельных температур отпуска и усредненных температур (в К) полиморфных превращений ТУТПП нескольких десятков раз-нообразных по химическому составу сплавов на основе железа, упрочняемых дисперсионным твердением, позволило установить зависимость между ними [5]:

ТПТО = (0,7…0,8) ТУТПП.

Для повышения предельной температуры от-пуска теплостойких сталей их следует легиро-вать компонентами, при введении которых по-вышается температура полиморфного превра-щения сплавов на основе железа. Это некарби-дообразующие компоненты: кобальт и алюми-ний, увеличивающие вторичную твёрдость и теплостойкость быстрорежущих сталей (А.С. № 1098972 / Л.С.Кремнев, Т.Н. Штерн).

Наряду с этим заметное снижение твёрдости, в том числе при нагреве дисперсионно-твердеющих сталей и сплавов, связано не толь-ко с коагуляцией упрочняющих частиц, но и с развитием процесса рекристаллизации мартен-сита, температура которого тем выше, чем вы-ше УТПП [1].

Изложенные положения позволяют утвер-ждать, что оптимальные составы теплостойких сталей и сплавов следует создавать на базе диа-грамм состояния, так как с их помощью оказы-вается возможным:

1) выбирать в зависимости от условий экс-плуатации и производства инструмента составы сталей и сплавов, которые упрочняются при дисперсионном твердении теми или другими фазами различного качества;

2) оценить максимально возможные количе-ства упрочняющих фаз;

3) определить критические точки сталей и сплавов, т.е. температуры α↔γ превращения.

Производительность процесса резания зави-сит, как известно, не только от скорости реза-ния, но от подачи и глубины резания.

Если твёрдость и теплостойкость быстроре-жущих сталей определяют номенклатуру обра-батываемых конструкционных материалов и максимальную скорость резания, то допусти-мые значения подачи и глубины резания зави-сят от предела прочности σв

изг и ударной вязкости КС этих сталей.



Рис. 1. Изотермические разрезы диаграмм состояния сплавов Fe-W-C (а) и Fe-Mo-C (б) при 20°С [6]. Лучам, кроме феррита, соответ-ствуют карбиды: I - Fe3W3C (+Fe3W2) или Fe3Mo3C (+Fe3Mo2); II - Fe3W3C или Fe3Mo3C; III - Fe4W2C или Fe4Mo2C; IV -Fe21W2C6 или Fe21W2C6; V - (Fe, W)3C или (Fe, Mo)3C; штри-ховому лучу - Fe4(W, V)2C или Fe4(Mo, V)2C

В отожжённых быстрорежущих сталях угле-

род и практически все легирующие компоненты (за исключением некарбидообразующих и, прежде всего, кобальта) связаны между собой в карбиды. При нагреве инструментов до зака-лочных температур часть этих карбидов раство-ряется в аустените, обеспечивая высокий уро-вень легирования мартенсита и тем самым по-вышенные значения твёрдости и теплостойко-сти сталей после отпуска инструментов. Части-цы нерастворившихся карбидов сдерживают рост зёрен аустенита, к которому стали особен-но склонны при нагреве до высоких температур закалки (~ 1200…1300оС), сохраняя тем самым мелкозернистую структуру (балл зерна аустени-та не больше №10 - 9 стандартной шкалы) и, следовательно, достаточно большую прочность инструментов. Чем больше нерастворившихся карбидов (% об.) и меньше их размеры, тем эф-фективней они сдерживают рост аустенитных зёрен. При этом учитывают равномерность рас-пределения нерастворившихся карбидов, т.е. карбидную неоднородность: чем меньше кар-бидная неоднородность, тем больше при прочих равных условиях предел прочности и ударная вязкость стали.

Быстрорежущие стали относятся к сталям ледебуритного класса, в структуре которых присутствуют карбиды ледебурита, что харак-терно для структуры белых чугунов. Именно эти карбиды являются нерастворимыми и по-

этому их углерод и легирующие компоненты не используются для повышения твёрдости и теп-лостойкости, приобретаемых сталями в резуль-тате дисперсионного твердения при отпуске (560оС) инструментов. По этой причине целесо-образно ввести показатель эффективности (Э, %) использования вольфрама и молибдена быстрорежущих сталей для создания её наибо-лее важных свойств - вторичной твёрдости и теплостойкости при условии сохранения мелко-зернистой структуры и минимальной карбидной неоднородности. Показатель эффективности

Э [%] = [∑(W,Mo)тв.р./ ∑(W,Mo)cт] ×100%.,

где числитель и знаменатель – суммы концен-траций вольфрама и молибдена в твёрдом рас-творе после закалки и в стали соответственно в % (масс.).

Вольфрам, молибден и ванадий в отожжён-ных сталях Р18 и Р6М5 распределяются при-мерно поровну между растворимыми и нерас-творимыми карбидами, в равной степени обес-печивая достаточно высокие скорости резания, а также подачи и глубины резания, т.е. боль-шую производительность процесса резания.

На рис. 1, а представлена часть фазовой диа-граммы сплавов системы Fe-W-C [6], из кото-рой следует, что приведенному выше содержа-нию вольфрама 18% (масс.) и углерода 0,75% (масс.) в стали Р18 соответствует сплав, кар-бидная фаза которого состоит только из карбида



М6С состава Fe4W2C. С уменьшением содержа-ния вольфрама или с повышением концентра-ции углерода в сплаве появляются карбиды М23С6 состава Fe21W2C6.

Таким образом, состав стали Р18, установ-ленный эмпирически, не случайно оказался оп-тимальным, так как при минимальной концен-трации вольфрама обеспечивает высокие режу-щие свойства вследствие того, что карбидами стали Р18 в отожжённом состоянии являются в основном карбиды М6С. Следовательно, эта сталь при отпуске в процессе дисперсионного твердения упрочняется преимущественно наи-более качественными карбидами W2С в количе-стве, достаточном для получения твёрдости не менее 62 HRC. С увеличением содержания вольфрама в стали более 18% повышается его концентрация в карбиде М6С (Fe4W2C), при-ближая его состав к Fe3W3C (рис. 1, а). При этом объёмное количество карбидов М6С не увеличивается.

В [7] показано, что при введении ванадия в количестве 1,5…2% (масс) в сплавы Fe-W-C с 0,7…0,8 % C характерная концентрация вольф-рама понижается с 18 до 12…13% вследствие того, что часть атомов ванадия растворяется в кристаллической решётке карбида М6С, заме-щая в ней атомы вольфрама. При этом карбид Fe4W2C превращается в карбид Fe4(W, V)2C. Поэтому линия на рис.1, а, определяющая по-ложение сталей, карбидная фаза которых состо-ит только из карбидов М6С, сдвигается у спла-вов Fe-W-C c 1,5…2%V к меньшему содержа-нию вольфрама (штриховая линия) [7].

Сталь с содержанием ~ 0,9% C, 12…13% W и 1,5…2% V (сталь Р12) имеет следующие осо-бенности.

● 1. Объёмное количество карбидов М6С в ней максимально и практически такое же, что и у стали с 18% W: при повышении концентрации вольфрама в обеих сталях увеличивается лишь массовая доля этих карбидов, так как состав карбида М6С при этом изменяется от Fe4M2C до Fe3M3C (см. рис. 1, а).

● 2. В карбиде Fe4M2C растворяется наи-большее количество ванадия: с понижением в стали концентрации вольфрама уменьшается объёмная доля карбида-растворителя Fe4M2C в связи с появлением карбида Fe21M2C6 (см.

рис. 1, а), а с повышением концентрации вольфрама более 12…13% (масс.) раствори-мость ванадия в этом карбиде также уменьша-ется вследствие повышения в нем концентра-ции вольфрама и превращения его в карбид Fe3M3C.

● 3. В мартенсите стали с 12…13% (масс.) W после закалки от оптимальной температуры (зерно аустенита №10) содержится наибольшее количество ванадия, так как карбид М6С в этой стали, даже обогащённый ванадием, менее ус-тойчив при нагреве и больше растворяется в ау-стените при закалке, чем карбид на основе ва-надия МС [8].

● 4. В твёрдом растворе сталей с 12…13% (масс.) W и Р18 (~1% V) после их закалки без перегрева суммарное содержание вольфрама и ванадия, а также коэффициенты К весьма близ-ки: 3,40 и 3,80 % (ат.); К равно 1,5 и 1,6 соот-ветственно. Это обеспечивает равные и наи-большие значения вторичной твёрдости и теп-лостойкости этих сталей при наименьшей в них (в зависимости от содержания ванадия) концен-трации вольфрама.

● 5. Шлифуемость стали с 12…13% (масс.) W лучше, чем у быстрорежущих сталей с 1,5…2% (масс.) V, но с другим содержанием вольфрама и практически не отличается от шлифуемости стали Р18 [8]. Это обусловлено тем, что благодаря увеличенной растворимости ванадия в карбиде М6С стали с 12…13% (масс.) W количество нерастворимых карбидов ванадия МС в структуре этой стали оказывается наи-меньшим.

● 6. Введение хрома (~ 4 %) в сталь с 12…13% (масс.) W, как и в сталь с 18% W, при-водит к образованию в них в небольшом коли-честве карбидов на основе железа и хрома со-става (Fe,Cr)21(W,Cr)2C6, а также к растворению хрома в карбиде М6С и, следовательно, в карби-де М2С. При этом склонность к коагуляции это-го карбида при отпуске увеличивается.

На основе изложенных положений разрабо-таны быстрорежущие стали Р12, Р12Ф3 и Р12Ф4К5, которые были включены в Государ-ственные стандарты и стандарты СЭВ и широко применялись вместо сталей Р18, Р14Ф4, Р9Ф5 и Р18Ф2К10 до появления вольфрамомолибде-новых быстрорежущих сталей и, прежде всего, стали Р6М5.



С помощью фазовой диаграммы состояния сплавов Fe-Mo-C (рис. 1, б) [6] можно устано-вить, что для обеспечения присутствия в струк-туре стали с 0,75%C только карбидов Fe4Мо2С концентрация молибдена в ней должна быть именно 12% (масс.). Сравнение наклона линий на диаграммах состояния сплавов систем Fe-W-C и Fe-Mo-C (рис. 1, а и б) позволяет оп-ределить эквивалентное содержание вольфрама и молибдена в сплавах на карбид Fe4M2C для обоснованной замены вольфрама молибденом, и наоборот [1]:

1% (масс.) Mo ~ 1,4…1,5(масс.) % W. (2)

Для сохранения хорошей шлифуемости ста-ли Р6М5 содержание ванадия в ней было при-нято равным 1,5…2% при ~ 6% W и ~ 5% Mo. Поэтому на диаграмме состояния сплавов Fe-Mo-C (рис. 1, б) линия, определяющая по-ложение сплавов, карбидная фаза которых со-стоит только из карбидов М6С, сдвигается у этих сплавов c указанной концентрацией вана-дия к меньшему содержанию молибдена (штри-ховая линия, проведенная из начала координат и точку М с координатами 0,75% C, 8% Mo). На этой линии расположены составы сталей, структура которых состоит из карбидов М6С состава Fe4(Mo,V)2C и феррита.

Используя соотношение (2), можно заклю-чить, что сталь Р6М5 имеет состав, близкий к оптимальному не случайно: он соответствует положениям теории легирования быстрорежу-щих сталей, как и состав сталей Р18 и Р12. Дей-ствительно, эквивалентное содержание вольф-рама в стали Р6М5 составляет ~ 13 %, при этом суммарная концентрация вольфрама, молибдена и ванадия в твёрдом растворе стали после за-калки на зерно аустенита №10 равна ~3,60 % (ат.), а отношение

60,1~.)(%,

.)(%),,,(

атС

атVMoW .

Вследствие этого стали Р18, Р12 и Р6М5 имеют практически одинаковые твёрдость и тепло-стойкость (62…64HRC, 620оС) и вместе с тем близкие технологические свойства, например, шлифуемость [8].

Стали Р12 и Р6М5 были введены в ГОСТ 19265-73 «Прутки и полосы из быстро-режущей стали» как полноценные заменители стали Р18.

Следует отметить, что при введении ванадия (до 2%) в стали Р12 и Р6М5 с эквивалентным содержанием вольфрама, равным 12…13%, не весь ванадий растворяется в решётке карбида М6C. Оставшаяся часть ванадия (приблизитель-но половина от введенного) образует карбиды ванадия VC, которые связывают часть углерода сталей. Поэтому содержание углерода в сталях Р12 и Р6М5 необходимо было увеличить до ~ 0,90% С из расчёта, что для связывания вана-дия (~ 1%) в карбид VC необходимо дополни-тельно ввести в сталь ~ 0,2% C.

Положениям теории легирования также со-ответствуют составы вольфрамовых и вольф-рамомолибденовых быстрорежущих сталей Р12Ф3, Р12Ф4К5 (разработанные в МГТУ «Станкин»), Р6М5Ф3 и Р6М5К5. Все эти стали также были введены в Государственный стан-дарт. На основе положений теории легирования в МГТУ ”Станкин” были созданы быстрорежу-щие стали Р8М3 [9] и Р8М3К6С [10] с высоким уровнем эксплуатационных и технологических свойств. Сталь также оптимального состава с ~ 7% W, 4% Mo, 2%V и 5% Со (марка М41 по стандарту США ASTM) получила широкое применение среди кобальтовых быстрорежу-щих сталей для резания труднообрабатываемых конструкционных материалов.

Сталь Р6М3 была разработана и включена в ГОСТ 19265 исходя из того, что эквивалентное содержание вольфрама и молибдена в ней должно составлять 12…13%. Однако соотноше-ние между ними было выбрано 1% Mo = 2% W на том основании, что атомная масса молибдена (96 а.е.м.) практически в 2 раза меньше, чем вольфрама (184 а.е.м.). Практика использования этой стали показала, что она заметно уступает сталям Р12 и Р6М5. По этой причине сталь Р6М3 уже через 2 года её промышленного применения была исключена из Государствен-ного стандарта.

Широкая замена сталей с 18% W и 1% V на вольфрамовые и вольфрамомолибденовые стали оптимального состава, содержащие ~ 2% V, по-зволила не только значительно сократить по-



требление в то время особенно дефицитного вольфрама, но и повысить показатель эффек-тивности использования вольфрама и молибде-на от 45% у стали Р18 до 55% у сталей Р12 и Р6М5.

Молибденовые быстрорежущие стали были созданы и получили широкое применение сравнительно недавно и значительно позже, чем вольфрамовые и вольфрамомолибденовые.

В твёрдом растворе наиболее известных вольфрамовых и вольфрамомолибденовых ста-лей оптимального состава, который, как оказа-лось, отвечает составу ”на карбид М6С”, значе-ние коэффициента К вопреки обоснованному ожиданию оказалось меньше 2 и равным ~ 1,6. Таким образом, следует признать, что в упроч-нении этих сталей в процессе дисперсионного твердения наряду с карбидами М2С принимают участие и карбиды М23С6. Причина отмеченного несоответствия заключается в том, что во всех этих сталях присутствует хром в количестве до 4% (масс.), на основе которого в их структуре после отжига формируется карбид М23С6 соста-ва (Cr, Fe)21 (W, Mo, V)2C6. Участие этого кар-бида в упрочнении сталей при отпуске понижа-ет, как это было отмечено ранее, их теплостой-кость. Однако быстрорежущие стали без хрома не принимают закалку [3].

Вместе с тем оказалось, что молибденовые быстрорежущие стали по характеру протекаю-щих в них превращений, структуре и свойствам имеют существенные отличия от вольфрамовых и вольфрамомолибденовых сталей.

● 1. Растворимость молибдена (в % ат.) в ау-стените сплавов Fe-Mo-C больше, чем вольфра-ма в аустените сплавов Fe-W-C при равной в них концентрации углерода. По результатам исследований [11 - 13] возможно установить (рис.2, [1]), что в аустените этих сплавов с 0,5% С (приблизительное содержание углерода в аустените сталей оптимального состава после закалки от принятых температур) максимальная растворимость молибдена составляет 4,2 % (ат.) (~ 7% масс.), а вольфрама – 2,9 % (ат.) (9,1 % масс.). Таким образом, растворимость молибдена в аустените (% ат.) больше, чем вольфрама в 1,45 раза. Поэтому следует пола-гать, что коэффициент К и теплостойкость мо-либденовых сталей должны быть больше, чем у вольфрамовых и вольфрамомолибденовых бы-строрежущих сталей.

Рис. 2. Максимальная растворимость вольфрама и молибдена в аустените (мартенсите) в зависи-мости от содержания в нем углерода

Рис. 3. Высокотемпературные области диаграмм состояния сплавов Fe-W-C с 18% W и Fe-Mo-C с 10% Mo [14]

● 2. Температура эвтектического затвердева-ния жидкости заметно понижается под влияни-ем молибдена. Так, у сплавов Fe-C с 18% W и 10% Mo (с почти равной концентрацией этих компонентов в % ат.) она составляет ~ 1345 оС и 1260 оС соответственно (рис.3 [14]). Поэтому эвтектика молибденовых сталей должна быть



тоньше, а её карбиды мельче, чем у вольфрамо-вых сталей [1].

● 3. При затвердевании высокоуглеродистых молибденовых быстрорежущих сталей в их структуре формируется эвтектика на основе карбидов М2С с высокой концентрацией молибдена (~30% (масс.)) и ванадия (~20% (масс.)) [15].

Эта эвтектика стержневой формы карбидов, в отличие от эвтектики скелетообразной формы на основе карбида М6С вольфрамовых и вольф-рамомолибденовых сталей, в процессе горячего пластического деформирования и отжига заго-товок из молибденовых сталей распадается на

Рис. 4. Этапы превращения эвтектики молибде-новой быстрорежущей стали [18] на основе кар-бида (Fe, Mo, V)2C под влиянием кремния и азо-та (а), последующей термической обработки слитка (б), его горячего пластического деформи-рования и отжига (в)

карбиды М6С и МС [16]. М2С → М6С (на основе Fe4Mo2C) + MC (на

основе VC). Так как распад этой эвтектики протекает при

нагреве уже выше 640…700 оС [17], т.е. в твёр-дом состоянии и в условиях горячего пластиче-ского деформирования слитка, то её карбиды М6С, и в особенности МС, оказываются очень мелкими и равномерно распределёнными в структуре стали (рис.4) [18].

Можно видеть, что карбиды М2С, имеющие характерные для них вытянутую, стержнеоб-разную форму и направленность, распадаются на более округлые и мелкие карбиды М6С (2…5 мкм) и на многочисленные и ещё более мелкие карбиды МС (~ 0,4…0,6 мкм).

На основе отмеченных особенностей мо-либденовых сталей и изложенных положений теории легирования на кафедре «Металловеде-ние» создана молибденовая быстрорежущая сталь 11М7ВХ2Ф, которая отличается от из-вестных сталей следующими особенностями.

● 1. Карбидная фаза этой стали после отжига состоит только из карбидов на основе молибде-на М6С и ванадия МС, тогда как карбиды хрома М23С6 в ней отсутствуют.

● 2. В кристаллической решётке карбида М6С растворимость хрома меньше, чем в этом же карбиде всех известных быстрорежущих сталей. Эти особенности объясняются пони-женной концентрацией хрома в стали 11М7ВХ2Ф – 2% Cr вместо 4% Cr в других ста-лях.

● 3. Концентрация молибдена в мартенсите стали 11М7ВХ2Ф после закалки без перегрева (балл зерна аустенита №10-9) составляет 5,9% (масс.). В пересчёте на % (ат.) это значи-тельно выше (в ~1,4 раза), чем вольфрама и мо-либдена или вольфрама в сталях Р6М5, Р18 и в сталях на их основе. В результате значение ко-эффициента К стали 11М7ВХ2Ф увеличилось до 2 (см. таблицу) при более высокой концен-трации углерода (0,52%) в её мартенсите после закалки (в сталях Р6М5 и Р18 К=1,6, концен-трация углерода ~ 0,45% [4]).

● 4. Основной карбидной фазой, сдержи-вающей рост зёрен аустенита при нагреве стали 11М7ВХ2Ф до 1220оС при закалке, являются многочисленные, весьма мелкие и равномерно



Рис. 5. Рентгенограммы сталей 11М7ВФ (а) и Р6М5 (б) после закалки от 1220 °С (зерно ау-стенита №10) и трехкратного отпуска при 560 °С по 1ч: 1 - линии отражения [(101, 011), (110)] мартенсита; 2 - линии отражения (333) карби-да М6С [1]

распределённые в структуре частицы карбидов ванадия МС (рис. 4), тогда как в других сталях эту роль выполняют нерастворившиеся карбиды вольфрама и молибдена М6С.

Можно видеть (рис.5), что отношение ин-тенсивностей линий рентгеновского отражения (333) карбидов М6С, не растворившихся при закалке, и [(101, 011), (110)] мартенсита у стали 11М7Ф в ~ 1,5 меньше, чем у стали Р6М5.

Первые три из отмеченных особенностей структуры стали 11М7ВХ2Ф ответственны за то, что она упрочняется при отпуске карбида-ми М2С с пониженной концентрацией хрома, а также МС, которые наиболее устойчивы про-тив коагуляции при нагреве. Количество упроч-няющих карбидов, которые выделяются из мар-тенсита, особенно велико благодаря увеличен-ному содержанию в нём С и Mo.

Стали Р6М5, Р18 и другие на их основе уп-рочняются при этом менее теплостойкими и в меньшем количестве карбидами М2С и МС с более высокой концентрацией хрома, чем в тех же карбидах стали 11М7ВХ2Ф, а также карби-дами на основе хрома М23С6.

Следствием этого являются высокие вторич-

ная твёрдость (64…66 HRC) и теплостойкость (640оС) стали 11М7Х2Ф, значения которых за-метно больше, чем сталей Р6М5 и Р18 (62…64 HRC и 620оС) (см. таблицу).

Четвёртая особенность структуры позволяет объяснить причину того, что сталь 11М7Х2Ф сохраняет после закалки (1220 оС) мелкозерни-стую структуру при значительно меньшем ко-личестве нерастворимых карбидов М6С, чем в стали Р6М5 (см. рис.5). Вследствие этого пре-дел прочности стали 11М7Х2Ф не меньше, чем у стали Р6М5 при заметно более высокой твёр-дости (см. таблицу).

Благодаря отмеченным особенностям кар-бидной фазы стали типа 11М7ВФ имеют высо-кие технологические свойства: хорошую шли-фуемость на уровне шлифуемости сталей Р6М5 и Р18, а также повышенную устойчивость про-тив перегрева инструмента. Интервал зака-лочных температур этой стали (~50оС) в 2 раза шире, чем стали Р6М5 (см. таблицу).

Так как содержание молибдена в стали 11М7Х2Ф (% масс.) заметно меньше, чем сум- марное содержание вольфрама и молибдена в стали Р6М5 или вольфрама и молибдена

Сравнительная характеристика свойств и стоимости быстрорежущих сталей Р6М5 и 11М7Х2Ф, разработанной в МГТУ «Станкин»

Марка стали Твёрдость

НRC

Тепло-стойкость,

oС

Предел проч-ности σв

изг, МПа*

Шлифу-емость

Интервал темпера-турной за-калки, oС

Стоимость легируемых компонен-

тов

Стойкость при обработ-ке отожжен-ной стали 45

Р6М5 62…64 620 3100 1 20 1 1

11М7ВХ2Ф 64…66 640 3100 1 50 0,8 3…3,5

* В прокате Ø25 мм.



Рис. 6. Диаграмма расположения быстрорежущих сталей оптимального ( ○ ) и неоптимального ( ● ) составов относительно расчетных полос диа-граммы: 1 - Т1(Р18М); 2 - Р14Ф4; 3 - Р18К5М (Т4);4 - Р12М3, Р12М3К8; 5 - Р18; 6 - Р9М4; 7 - Р14МК5 (Т8); 8 - Р9, Р9Ф5, Р9К5, Р9К10; 9 - Р12, Р12Ф3, Р12Ф4К8, Р12Ф5К5 (Т15); 10 - Р6М3, Р6М3К5; 11 - Р8М3К6С; 12 - Р6М6Ф3 (М3); 13 - Р8М3; 14 - Р5М8К5; 15 - Р7М4К8; 16 - Р3М3Ф3; 17 - Р7М4К5 (М41); 18 - Р2М6К8; 19 - Р6М5 (М2); 20 - Р2М10К8 (~1%) (М42); 21 - Р0М8 (М10); 22 - Р0М6К8; 23 - Р6М5К12 (М44); 25 - Р2М8К8; 27 - Р2М8; 29 - Р2М9К8 (М42); 31 - 11М7ВФ; 33 - М10; 34 - Р5М9К5 (М48) [1]

в стали Р6М5 или вольфрама в стали Р18, то её стоимость меньше этих сталей (см. таблицу).

Стойкость резцовых пластин из стали 11М7ВФ при непрерывном точении без охлаж-дения отожжённой стали 45 (200 НВ) со скоро-стью резания 90 м/мин, подаче 0,17 мм/об и глубине резания 0,5 мм оказалась в 3…3,5 раза выше стойкости пластин из стали Р6М5 (см. таблицу).

Испытания инструментов в цехах ОАО «АВТОВАЗ», изготовленных в условиях завода, показали, что стойкость червячных и концевых фрез, долбяков и отрезных резцов из сталей типа 11М7ВФ при обработке легиро-ванных конструкционных сталей (150…240 НВ)

по режимам, принятым на заводе, аналогична стойкости этих инструментов из сталей Р10М4К10Ф3, Р6М5К5 и Р6М5Ф3МП.

В [19, 20] показано, что адгезия ионно-плазмен-ного покрытия TiN и быстрорежущей стали тем выше, чем больше в её структуре не-растворившихся при закалке частиц карбида ванадия. Это объясняется тем, что кристалличе-ские решётки карбида ванадия и нитрида тита-на одинаковы по строению и близки по разме-рам их периодов. Поэтому обоснованно пред-положение, что сталь 11М7Х2Ф, в структуре которой присутствует повышенное количество мелких карбидов ванадия (см. рис. 4), макси-мально пригодна для производства инструмен-тов с такими покрытиями. Освоено промыш-ленное производство сталей типа 11М7ВФ.

Диаграмма, представленная на рис.6, отража-ет основные положения теории легирования, объясняющие причину широкого применения ранее и до настоящего времени лучших быстро-режущих сталей разных марок в результате их «естественного отбора»: Р18(Т1)*, Р12(Т7, Д2), Р12Ф3, Р12Ф4К5 (Т15), Р6М5 (М2, DMo5), Р6М5Ф3 (М3), Р6М5К5 (М30), Р7М4К5 (М41), (М10) и др.

Верхняя полоса диаграммы на рис. 6 по-строена по расчёту при условии, что весь угле-род, вольфрам и молибден сталей связаны в карбид М6С состава Fe4(W, Mo)2C. Таким обра-зом, эта полоса соответствует сталям с 0,7…0,8 % C, ~ 1 % V и переменным содержа-нием вольфрама и молибдена, суммарная кон-центрация которых по установленному эквива-ленту между ними равна 18 %. В структуре этих сталей после отжига присутствуют только карбиды Fe4(W, Mo)2C и VC. Нижняя полоса диаграммы включает стали с 0,8…0,9 % C и 1,5…2%V, в которых после отжига основным карбидом является карбид Fe4(W, Mo, V)2C; она сдвинута относительно верхней полосы в об-ласть сталей с более низкой и эквивалентной концентрацией вольфрама, равной 12…13 %. Можно видеть (см. рис. 6), что составы быстро-режущих сталей, которые получили наиболее широкое применение (светлые значки), распо-лагаются непосредственно на расчётных поло-сах, а сталей, которые в настоящее время не применяются или используются ограниченно (тёмные значки), располагаются вдали от них. * В скобках указаны обозначения сталей по американ-скому и германскому cтандартам.



Характерно, что во всех наиболее распростра-нённых сталях с повышенным содержанием ва-надия (более 2 %) содержание W и Mo по уста-новленному эквиваленту составляет 12…13 %.

Выводы

1. Быстрорежущие стали оптимального со-става за 100 лет их применения прошли путь от вольфрамовых сталей с 18% (масс.) W (при 1% (масс.) V) и 12% W ( при 1,5…2% (масс.) V и более), к вольфрамомолибденовым, а затем к молибденовым сталям, в которых ∑(W% + + 1,4…1,5% Мо) = 12…13% при содержании в них ванадия в количестве не менее 1,5…2% (масс.).

2. В МГТУ «Станкин» создана теория леги-рования быстрорежущих сталей [1], на основе которой возможно объяснить особенности 100-летней эволюции оптимального состава быст-рорежущих сталей и обеспечить их дальнейшее развитие (см. рис. 6).

3. Сталь 11М7Х2Ф, созданная на основе теории легирования, заметно превосходит из-вестные быстрорежущие стали по технико-экономическим показателям и предназначена для широкого производства металлорежущих инструментов повышенной стойкости и, в осо-бенности, для инструментов с покрытиями на основе нитрида титана.


1. Кремнёв Л.С. Теория легирования и создание на её основе теплостойких инструментальных сталей и спла-вов// МиТОМ, 2008, №11. С.18 – 28.

2. K. Kuo. Carbide precipitation, Second Hardening and Red hardness of High-Speed Steel, JISI, London,1953, v.174/No.3, pp. 223- 228.

3. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. М.: Метал-лургия, 1983. 525 с .

4. Кремнёв Л.С., Адаскин А.М., Боголюбов А.В. Определение концентрации углерода в мартенсите сталей по асимметрии линий рентгеновского отражения.// Заво-дская лаборатория, 1971, №9. С.1086 – 1090.

5. Кремнёв Л.С., Брострем В.А., Теплостойкость ин-струментальных сталей и сплавов // МиТОМ. 1973. №3, С46 – 51.

6. Krainer H. Rontgenographisch Untersuchung der Karbide in Wolfram – Molibdan – und Vanadinstahlen. Arch.f.d. Eisen.1950.Bd. 1/2/ S.9 – 11.

7. Кремнёв Л.С., Геллер Ю.А. Влияние вольфрама на свойства быстрорежущих сталей.// Изв. АН СССР. Металлургия и горное дело. 1964. №1. С. 136 – 142.

8. Кремнёв Л.С., Адаскин А.М, Туменко В.В., Влияние химического состава и режимов термической обработки на шлифуемость быстрорежущих сталей // МиТОМ. 1983. №5. С. 14- 15.

9. Кремнёв Л.С., Адаскин А.М., Геллер Ю.А. Об оптимальном содержании углерода в быстрорежущих сталях // МиТОМ. 1970. №1. С. 25 – 31.

10. Александрович Б.Л., Геллер Ю.А., Крем-нёв Л.С. Новые быстрорежущие cтали высокой твёрдо-сти // МиТОМ. 1968. №1. С. 2-7.

11. Takeda S. Technol. Rep. Tohoku Univ.,10,1931, p. 42 – 92.

12. Cвешников В.Н., Алфёрова Н.С. Исследование сплавов Fe- Mo - C // Теория и практика металлургии. Днепропетровск: Днепропетровский институт металлов. С. 72- 84.

13. Гудремон Э. Специальные стали, М.: Металлур-гия. 1960. 2 т., Т. 2. 1638 с.

14. Metals Handbook, ASM, 1964. 15. Nica Mihaiu, Roal Inst.Tehnol.Stockolm, 1977, 4pp.

The formation of eutectic carbides and its decomposition in high speed steels.

16. G. Steven, J.J. Hauser, T.A. Neumeyer, J.M. Capenos. «Effect of Nitrogen on the Fine Structure of High-Speed Steel», Trans. ASM v62, 1969, p.180, (March, №1).

17. F. Ishikawa, K. Sudo. The Effect of Si on the Mo – Type High Speed Tool Steel, JISI Jap., 1977,v.63, may, pp. 92 -101.

18. Fredricson B.D. – 950 High-speed Steel, Manufac-turing Engineering, June 1980, pp. 96- 99, Research Report1.

19. J.E. Sindgren, M.K. Hibbs, B.O. Johansson and U. Helmersson. «Effect of substrate material on the growth and hardness of TiN films prepared by reactive sputtering», Inst. Phys. Conf.Ser.No.75, Chapter 8, Trans. 2nd Int. Conf. Science Hard Mater., Rhades, 1986, pp. 749 – 755.

20. Григорьев С.Н., Волосова М.А., Климов В.Н. Модификация поверхности режущего инструмента из быстрорежущей стали путем вакуумно-плазменной обра-ботки // Физика и химия обработки материалов. 2005. № 5. С. 11-18.

Кремнёв Леонид Стефанович – д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Металловеде-ние» МГТУ «Станкин». (499) 972-94-45

Kremnev Leonid Stefanovich – Dr.sci.tech professor, head Metall Scince Department of MSTU «Stankin». (499) 972-94-45



УДК 621.9.025.72-415

М.А. Волосова

M.A. Volosova

Вакуумно-плазменные технологии: получение наноструктурных покрытий триботехнического и инструментального назначения

Vacuum plasma technology: nanostructured coating tribotechnical and instrumental designation

Рассмотрены актуальные вопросы применения вакуумно-плазменных технологий для осаждения нанострук-турных покрытий с размерами зерен менее 100 нм; приведены сведения о способах управления структурой и свойствами покрытий, а также результаты использования таких покрытий в инструментальном производстве.

Addressed issues of application of vacuum plasma technologies for deposition of nanostructured coatings with size of

grains of less than 100 nm; provides information about how to control the structure and properties of coatings, as well as the results of the use of such coverage tool production.

Ключевые слова: наноструктурные покрытия, инструментальное производство, вакуум, плазменные источ-

ники энергии, технологические методы Key words: Nanostructured coating tool production, vacuum plasma energy sources, technologies

Используемые в инструментальном произ-водстве быстрорежущие стали характеризуются высокими прочностными свойствами, но имеют сравнительно невысокую твердость и тепло-стойкость, в отличие от режущей керамики, у которой высокие твердость и теплостойкость, но низкие прочностные свойства. Современные методы нанесения покрытий и модификации поверхности изделий позволяют в широких пределах целенаправленно модифицировать по-верхностные свойства конструкционных и ин-струментальных материалов, их достаточно просто применить к уже готовому изделию.

Методы нанесения покрытий и модификации рабочих поверхностей деталей машин и инст-рументов имеют существенные различия в ис-точниках энергии. При этом эффекты, которые могут быть достигнуты при их применении, имеют сходства и связаны с улучшением наи-более важных эксплуатационных показателей изделий.

В зависимости от решаемых задач поверхно-стный слой, сформированный каким-либо из методов поверхностной обработки, может вы-полнять функции [1]:

- высокотвердого поверхностного слоя, пре-пятствующего абразивному изнашиванию рабо-чих поверхностей изделия в процессе эксплуа-тации;

- промежуточной среды, обладающей низ-ким сродством с контактируемым материалом и препятствующей интенсивному схватыванию в условиях адгезионного изнашивания;

- антифрикционной твердой смазки, мини-мизирующей налипание контактируемого мате-риала на изделие в процессе эксплуатации;

- барьерного слоя, препятствующего отпуску поверхностного слоя изделия в результате воз-действия повышенных теплосиловых нагрузок;

- барьерного слоя, способного тормозить или останавливать распространение сетки уста-лостных трещин, приводящей к макровыкраши-ванию рабочих поверхностей.

Вакуумно-плазменные технологии: получение наноструктурных покрытий…


Рис. 1. Зависимос-ти предела проч-ности σ в (а) и плотности ρ (б) пленки от ее тол-щины h

а) б)

Широко применяемые в инструментальном

производстве покрытия типа TiN, TiAlN, TiCrN и др. характеризуются высокими значениями микротвёрдости (до 35 ГПа) и низкими коэф-фициентами трения. Но в то же время эти по-крытия характеризуются значительной хрупко-стью, которая резко сужает область их рацио-нального применения. Именно поэтому сегодня особый интерес во всем мире вызывают иссле-дования, связанные с получением покрытий с размерами зерен менее 100 нм - нанопокры-тий*, позволяющие реализовать в одном покры-тии уникальный комплекс свойств [2].

Практика показывает, что механическими свойствами наноматериалов можно варьировать в широких пределах путем изменения формы и структуры входящих в них наночастиц, а также структуры и свойств границ их раздела. У на-номатериалов с уменьшением размеров частиц наблюдается рост теплоемкости и, как следст-вие, внутренней энергии и энтропии системы. Это означает, что у поверхности при увеличе-нии внутренней энергии и повышении твердо-сти может увеличиваться пластичность вслед-ствие роста энтропийного фактора, в то время как в обычных материалах с увеличением мик-ротвердости возрастает хрупкость.

Все без исключения материалы в виде тон-кой пленки имеют характеристики, значительно отличающиеся от объемного (монолитного) * Впервые концепция наноматериалов отчетливо сфор-мулирована Г. Глейтером, который ввел в научный обо-рот термин «нанокристаллические материалы», а затем «наноструктурные», «нанофазные», «нанокомпозитные» и т.д. [3].

материала, и чем тоньше покрытие, тем сильнее отличаются его свойства [4]. На рис. 1, а пока-зана тенденция изменения предела прочности материала σв от толщины пленки. Такая тенден-ция связана с тем, что в процессе формирования тонкая пленка сначала не сплошная, а состоит из отдельных островков, которые затем увели-чиваются, сливаются друг с другом вплоть до образования сплошного слоя; при этом изменя-ется и плотность формируемой пленки (рис. 1, б).

За последние несколько лет работы в области наноматериалов получили значительное разви-тие. Было доказано, что роль поверхностей раздела между элементами структуры нанома-териала (нанозерен, нанокристаллитов, нанофаз и т.д.) очень важна, но не всегда определяющая. Роль среднего размера элемента структуры на-номатериала - ключевая.

Зависимость изменения микротвердости по-крытия от среднего размера его зерна представ-лена на рис. 2. Видно, что измельчение зерен-ной структуры материала покрытия сопровож-дается ростом микротвердости до некоторого критического среднего размера нанозерна (на-норазмерный эффект). Снижение микротвердо-сти при дальнейшем уменьшении среднего раз-мера зерна в покрытии происходит из-за про-скальзывания по межзеренным границам (рота-ционный эффект), поэтому для повышения микротвердости требуется затормозить процесс скольжения по межзеренным границам. Такое торможение может быть достигнуто формиро-ванием соответствующей наноструктуры с уп-рочнением межзеренных границ, что возможно



Микротвердость

Средний размер зерна, нм

Рис. 2. Зависимость твердости материала от среднего размера зерна

а)

б)

Рис. 3. Принципиальная схема осаждения по-крытий магнетронным распылением (а) и элек-тронно-лучевым испарением (б) в сопровождении ионного пучка

синтезом многофазной (нанокомпозитной) структуры, имеющей наноразмерные поверхно-сти раздела с высокой когезионной прочностью. Благодаря исследованиям в указанном направ-лении в скором времени будет возможен синтез ультратвердых покрытий нового поколения с микротвердостью до 100 ГПа в сочетании с дос-таточно высокой трещиностойкостью.

Все существующие в нашей стране и за ру-бежом технологические приемы нанесения на-нопокрытий, которые могут быть использованы в инструментальном производстве, условно разделяют на основные группы:

● осаждение покрытий в условиях ионного сопровождения;

● осаждение многослойных покрытий со слоями нанометрической толщины;

● осаждение многофазных покрытий; ● комбинация перечисленных способов.

Осаждение нанопокрытий в условиях ион-ного сопровождения. Процессы физического осаждения покрытий в сопровождении ионным пучком (ионно-стимулированное осаждение), за рубежом получившие название «Ion beam as-sisted deposition», являются наиболее простым средством для формирования нанопокрытий.

Ассистирование пучком при конденсации покрытия обеспечивает поддержание высокой подвижности поверхностных атомов. Ионная бомбардировка управляет механизмом роста конденсируемого покрытия при помощи энер-гии, поставляемой в плёнку ионами. Кинетиче-ская энергия бомбардирующих ионов превра-щается в тепловую в очень малых объёмах, ко-торые затем охлаждаются с крайне высокими скоростями. Ионная бомбардировка в процессе осаждения также увеличивает плотность цен-тров зародышеобразования, подвижность ато-мов, уменьшает количество вакансий и пор, вводит тепловую энергию непосредственно в поверхностную зону, стимулируя реакции и диффузионные процессы. Это приводит к уменьшению размеров зёрен, способствует формированию нанокристаллических плёнок. Регулируя энергию и плотность потока бомбар-дирующих ионов, можно регулировать размеры и ориентацию зёрен и, как следствие, управлять



микротвердостью, плотностью, стехиометрией и остаточными напряжениями в покрытиях.

Способы, которые используются для осажде-ния покрытий с ассистированием пучком, в ос-новном заключаются в том, что на подложку из отдельных источников поступает металличе-ский пар и ускоренные частицы. Схема осажде-ния покрытий магнетронным распылением в сопровождении ионного пучка представлена на рис. 3, а, а электронно-лучевым испарением – на рис. 3, б.

Плотность формируемого покрытия сущест-венно зависит от плотности энергии, подводи-мой ионами на его поверхность. В качестве примера можно привести изменение плотности покрытий из свинца и магния при осаждении на подложку в вакууме ионов этих металлов. Плотность покрытия растет с увеличением энергии ионов и достигает 100 % плотности ис-ходной мишени при энергии осаждаемых ионов свинца 72 эВ, при энергии осаждаемых ионов магния - 48 эВ. С дальнейшим ростом энергии ионов плотности покрытий в обоих случаях снова снижаются и при энергиях 170 эВ состав-ляют 35 % от плотности исходной свинцовой мишени и всего 17 % от плотности исходной магниевой мишени [4].

Другим примером могут служить углеродные покрытия, получаемые прямым ионным осаж-дением – их микротвердость также зависит от энергии ионов. При осаждении моноэнергети-ческих ионов C2H2

+ она увеличивается с ростом энергии и при 92 эВ достигает максимального значения 61 ГПа, что составляет 60 % микро-твердости природного алмаза.

Данные в литературе [5, 6] свидетельствуют о том, что для получения заданной плотности и микротвердости покрытий необходима вполне определенная энергия ионов, поэтому для точ-ной регулировки параметров покрытия нужны источники моноэнергетических ионов. Изменяя плотность тока и энергию ионов, сопровож-дающих осаждение покрытия, можно не только регулировать микротвердость и плотность по-крытия, но и модифицировать его структуру, стехиометрию, а также в широком диапазоне регулировать остаточные напряжения.

Величина остаточных напряжений в осаж-даемом покрытии определяется удельной энер-гией, транспортируемой быстрыми частицами на поверхность подложки, приходящейся на один осаждаемый атом. В большинстве случаев при нулевой удельной энергии формируются напряжения растяжения, затем с увеличением энергии напряжения растяжения уменьшаются до нуля, а потом начинается рост напряжений сжатия. Удельная энергия, при которой напря-жения равны нулю, зависит от материала по-крытия. Порядок ее величины составляет, на-пример для бора – 10 эВ/атом, а для хрома – 100 эВ/атом.

Примером влияния энергии ионов (опреде-ляемой потенциалом подложки) на размеры кристаллитов могут служить зависимости раз-меров кристаллитов (Ti,Cr)N от потенциала подложки при осаждении этих покрытий элек-тродуговым способом (рис. 4, а). Видно, что минимальные размеры кристаллитов находятся в пределах 8…10 нм при потенциале порядка

Рис. 4. Зависимо-сти размеров кри-сталлитов от по-тенциала под-ложки (а) и дав-ления азота (б) при осаждении покрытий на под-ложки из твердо-го сплава (1, 3) и быстрорежущей стали (2, 4) а) б)



200 В (имеется в виду отрицательный потенци-ал, ускоряющий положительные ионы к под-ложке). При дальнейшем повышении потенциа-ла размеры кристаллитов несколько увеличи-ваются за счёт повышения температуры в зоне конденсации. При этом размеры кристаллитов покрытия, осаждённого на подложку из твёрдо-го сплава, несколько больше, чем на подложку из быстрорежущей стали.

Другим фактором, оказывающим существен-ное влияние на размеры кристаллитов, является давление азота (рис. 4, б). Видно, что с увели-чением давления азота до 7 Па размеры кри-сталлитов (TiCr)N уменьшаются с 16 до 9 нм, в то время как размеры кристаллитов (TiCr)2N увеличиваются с 9 до 14 нм. При этом размеры кристаллитов и скорость их формирования на подложках из твёрдого сплава и быстрорежу-щей стали различны.

Влияние содержания азота на размеры кри-сталлитов в покрытиях из нитрида титана пред-ставлено на рис. 5. Видно, что их минимальные размеры (~ 9 нм) достигаются при нестехиомет-ричном составе TiNx (x = 38…40 %). При мини- мальных размерах кристаллитов покрытие об-ладает минимальными остаточными напряже-ниями и максимальным сопротивлением эрози-онному износу.

Рис. 5. Изменение эрозионного износа (1), оста-точных напряжений (2) и размеров кристалли-тов (3) в зависимости от содержания азота в по-крытии TiNx

Таким образом, на размеры кристаллитов влияют не только энергия ионов, но и состав покрытия, материал и температура подложки, давление, а также целый ряд других факторов. Поэтому в каждом конкретном случае необхо-димо оптимизировать процесс осаждения в за-висимости от конкретных условий эксплуата-ции инструмента с покрытием.

На кафедре «Высокоэффективные техноло-гии обработки» МГТУ «Станкин» была прове-дена серия экспериментов по сравнению экс-плуатационных показателей инструментов из быстрорежущих сталей с традиционными по-крытиями, и с покрытиями, осажденными из плазменного состояния на подложку с постоян-ным отрицательным потенциалом и одновре-менной подачей коротких (несколько микросе-кунд) отрицательных импульсов напряжения амплитудой 0,2…20 кВ.

Осаждение многослойных покрытий со слоями нанометрической толщины. Идея увеличения трещиностойкости твердых покры-тий за счет создания многослойных композиций выдвинута более пятнадцати лет назад. Она за-ключалась в создании многослойных покрытий типа TiN/NbN, TiN/VN, (TiAl)N/CrN и других с чередующимися слоями металлов или соедине-ний, обладающих различными внутренними на-пряжениями (модулями упругости) и близкими по величине коэффициентами термического расширения. Толщина отдельных слоёв должна быть настолько малой, чтобы внутри них не по-являлся источник дислокаций, а дислокации, которые под действием напряжений двигались бы к границе раздела из более мягкого слоя, от-талкивались бы силами, создающимися упру-гими напряжениями в более твёрдом слое. Об-щее количество слоев покрытия выбирается в зависимости от решаемых технологических за-дач и в ряде случаев может достигать 200.

Эксперименты показывают, что микротвёр-дость многослойных нанопокрытий, содержа-щих соединения с микротвёрдостью не менее 20 ГПа, увеличивается приблизительно в 2 раза, т.е. достигает значений не менее 40 ГПа. На-пример, максимальная микротвердость, полу-чаемая для покрытия TiN/NbN с толщиной от-дельных слоев 4 нм, составляет 50 ГПа, а для TiN/VN – около 55 ГПа [7].



В качестве примера на рис. 6 представлена структура многослойного нанопокрытия и при-ведены сведения о зависимостях микротвёрдо-сти многослойных нанопокрытий различного состава от количества слоёв, входящих в их со-став (общая толщина покрытий ~ 2 мкм). Вид-но, что покрытия, состоящие из 60 слоёв при толщине каждого из слоев ~ 33 нм, имеют вы-сокую микротвердость. Это связано с тем, что зёрна такого покрытия не успевают коагулиро-вать в процессе осаждения. С увеличением ко-личества слоев покрытия до 180 (т.е. с умень-шением толщины каждого из слоёв до 10 нм) размеры зёрен еще больше уменьшаются и микротвёрдость покрытий TiN-NbN и TiN-ZrN достигает значений 70 ГПа, в то время как мик-ротвердость традиционных однослойных по-крытий на основе этих же соединений (в зави-симости от режимов их осаждения) находится в пределах 20…30 ГПа. В то же время необходи-мо понимать, что отмеченная выше закономер-ность не является универсальной и применимой для всех химических соединений. Например, при увеличении количества слоев многослой-ного покрытия TiN-CrN свыше 80 (уменьшении их толщины менее 25 нм) его микротвердость, наоборот, снижется.

Осаждение многофазных покрытий. Ком-бинация двух или более нанокристаллических фаз в составе одного покрытия обеспечивает сложную конфигурацию межзеренных границ, что приводит к повышению микротвердости. Такие покрытия состоят из основной твёрдой нанокристаллической фазы, на границах зёрен которой располагается тонкий слой второй на-нокристаллической или аморфной фазы, пре-пятствующий росту зёрен основной фазы. Дру-гими словами, твёрдые зёрна первой фазы отде-лены друг от друга, покрыты тонкой сетью ато-мов другой фазы, сегрегированных на их по-верхностях [8 - 11].

Структурные составляющие таких покрытий должны удовлетворять целому ряду требова-ний:

- иметь ограниченную смешиваемость в твердом состоянии;

- иметь термодинамически обусловленную сегрегацию в ходе синтеза;

- обладать определенным химическим срод-

ством между собой для усиления межфазного взаимодействия на границах нанозерен.

В качестве удачных примеров можно привес-ти покрытия, синтезированные на основе сис-тем TiN-TiB, (TiSiAl)N, TiN-Cu, ZrN-Cu, AlN-Cu, а также некоторые другие системы на основе комбинаций металл-нитриды, карбид-бориды и др. Например, при осаждении покры-тия TiN-Cu, добавление меди в количестве 1,5 % (ат.) Cu обеспечивает формирование по-крытий с размерами зерен 22 нм (рис. 7) и при-

а)

б)

Рис. 6. Строение многослойного нанопокрытия TiN-AlN (а- увеличение в 20000 раз) и зависимо-сти микротвердости многослойных покрытий TiN-NbN (1), TiN-ZrN (2) и TiN-CrN (3) от толщи-ны их слоев (при общей толщине пленки ~ 2 мкм)



водит к увеличению микротвёрдости с 22 до 30 ГПа, при этом покрытие обладает большей трещиностойкостью, чем чистый TiN. При дальнейшем увеличении содержания меди до ~ 2 % (ат.) и более, размеры зёрен снижаются примерно до 5 нм, но в то же время уменьшает-ся микротвёрдость покрытия до 10…12 ГПа, а ориентация зёрен TiN и Cu становится хаотич-ной. При содержании меди около 12 % (ат.) уровень пластической деформации покрытия составляет 53 % (почти как у чистой меди). Та-ким образом, присутствие атомов меди (~ 2 % (ат.)) на поверхности растущих зёрен TiN приводит к их измельчению, но в то же время увеличивает трещиностойкость и пластичность покрытий за счёт скольжения по границам зё-рен.

Другим примером является покрытие ZrN/Cu, в котором максимальная микротвёр-дость составляет 54 ГПа и достаточно высокая трещиностойкость может быть достигнута введением Cu в количестве 1,2 % (ат.). При этом размеры зёрен покрытия составляют около

Размер

зерен

, нм

Содержание меди, % (ат.)

Рис. 7. Зависимость размеров зерен покрытия TiN/Cr от содержания меди

Твердость

, ГПа

Si3N4, % (ат.)

Рис. 8. Влияние концепции нитрида кремния на миротвердость системы TiN/Si3N4

35…38 нм. При увеличении содержания меди свыше 6 % (ат.) физико-механические характе-ристики покрытия значительно ухудшаются.

Еще одним вариантом формирования много-фазных покрытий является случай, когда зерна нанокристаллической фазы внедрены в аморф-ную матрицу. Целый ряд твердых материалов может быть использован для создания таких композиций, но на сегодняшний день одним из наиболее удачных примеров такой композиции является система TiN/Si3N4.

На рис. 8 приведена зависимость микротвер-дости многофазного покрытия TiN/Si3N4 от со-держания в нем нитрида кремния. Структура покрытий, полученных без легирования, пред-ставляет собой поликристаллический нитрид титана со средним размером столбчатых зерен несколько сотен нанометров в высоту и не-сколько десятков нанометров в диаметре. Вве-дение даже небольших количеств нитрида кремния в процессе конденсации покрытия приводит к дополнительному измельчению структуры и резкому росту микротвердости. При содержании аморфной фазы нитрида крем-ния в материале покрытия в количестве 15…20 % (ат.) средний размер нанокристаллов TiN не превышает 7 нм. В то же время при уве-личении концентрации аморфной фазы нитрида кремния среднее расстояние между нанозерна-ми TiN становится достаточным для возникно-вения и развития трещин в аморфной матрице. При этом микротвердость покрытия с преобла-данием аморфной фазы монотонно приближа-ется к микротвердости нитрида кремния.

В заключение можно сказать, что в настоя-щее время существует достаточное количество технологических приемов, обеспечивающих формирование нанопокрытий самого различно-го химического состава и обладающих улуч-шенными физико-механическими свойствами, необходимыми для современных режущих ин-струментов. Однако практически все из рас-смотренных выше подходов у нас в стране на-ходятся на стадии лабораторных испытаний, но в ближайшем будущем можно ожидать внедре-ния результатов, полученных в лабораториях, в производство. Применение нанопокрытий по-зволит не только повысить работоспособность инструментов из быстрорежущих сталей, твер-дых сплавов и керамики, но и существенно расширить область их применения. В первую очередь речь идет о тех операциях механиче-ской обработки, где возникают нагрузки, зачас-тую приводящие к разрушению обычных по-крытий уже в самом начале работы инструмен-



та – это высокоскоростная обработка, точение и фрезерование заготовок из труднообрабатывае-мых материалов с большими толщинами среза и др.


1. Григорьев С.Н. Методы повышения стойкости режущего инструмента: учебник для втузов. М.: Маши-ностроение, 2009. 368 с.

2. Волосова М.А., Григорьев С.Н. Технологические принципы осаждения износостойких нанопокрытий для применения в инструментальном производстве // Упроч-няющие технологии и покрытия. 2010. №6. С. 37-42.

3. H. Gleiter. Nanostructured materials: basic concepts and microstructure // Acta mater. 2000, v. 48, pp. 1 – 29.

4. Панфилов Ю.В. Нанотехнология в инженерии по-верхности // Справочник. Инженерный журнал. 2007. №8. С.1- 24.

5. Григорьев С.Н., Метель А.С. Модификация по-верхности тлеющим разрядом с электростатическим удержанием электронов: учебное пособие. М.: МГТУ «Станкин», «Янус-К», 2007. 452 c.

6. Андреев А.А., Шулаев В.М., Григорьев С.Н. Технологические особенности получения композицион-ных наноструктурных покрытий вакуумно-плазменными методами // Технология машиностроения. № 7, 2005. С. 47 – 52.

7. C. Ducros, V. Benevent, F. Savchette. Deposition, characterisation and mashining performance of multilayer PVD coatings on cemented carbide cutting tools. // Surface and Coatings Technology. 2003, v. 163 – 164, pp. 681 – 688.

8. P.H. Mayrhofer, H. Willmann, C. Mitterer. Recrys-tallisation and grain growth of nanocomposite Ti-B-N coat-ings // Thin Solid Films. 2003, v. 440, pp. 174 – 179.

9. Верещака А.С., Верещака А.А. Функциональные покрытия для режущего инструмента // Упрочняющие технологии и покрытия. 2010. № 6. С. 28-37

10. Кузин В.В. Технология механической обработки деталей из высокоогнеупорной керамики на основе нит-рида кремния // Новые огнеупоры. 2006. № 08. С. 19-24.

11. Андреев А.А., Григорьев С.Н. Износостойкие вакуумно-дуговые покрытия на основе титана в инстру-ментальном производстве // СТИН. 2006. № 2. С. 19-24.

Волосова Марина Александровна – канд. техн. наук, доцент кафедры «Высокоэффективные тех-нологии обработки» МГТУ «Станкин» (499) 972-94-92 Volosova Marina Alexandrovna - candidate of technical sciences docent of the chair of "High-effective machining technologies". (499) 972-94-92



УДК 621.9

А.С. Верещака

A.S. Veretshaka

Технологические производственные среды: анализ тенденций совершенствования (часть 1)

Technological industrial medium: the analysis of perfection trends (part 1)

Рассмотрены основные тенденции совершенствования технологических производственных сред на примерах определяющих отраслей машиностроения – аэрокосмической, автомобилестроительной и инструментальной промышленности.

In the report the basic trends of perfection for technological industrial medium on example of elite machine-building manufactures - airspace, automotive and the cutting tools industries are observed.

Ключевые слова: технологическая производственная среда; высокие технологии; высокоэффективные про-

цессы обработки; наукоёмкие машиностроительные отрасли; инструментальные материалы; наноструктуриро-ванные покрытия.

Key words: technological industrial medium, high technology, highly effective machining processes, the high tech-nology machine-building branches; the cutting tool materials, nanostructural coatings.

Введение

Современные процессы формообразующей обработки вплотную приблизились к возможно-сти обеспечения предельного (нанометрическо-го) диапазона точности обработанных изделий. Созданы новое оборудование и инструменталь-ные системы, позволяющие вести процессы об-работки на высоких и сверхвысоких скоростях резания без применения СОТС. Реализована концепция экологически безопасной обработки при обеспечении высокого уровня функцио-нальных, эстетических и экологических свойств изделий. Машиностроительные производства все больше ориентируются на требования рын-ка в условиях жесткой глобальной конкурен-ции [1-4], причем эти требования определяют не только качественные характеристики изде-лия, но и диктуют условия производству на всех этапах разработки, изготовления, освоения, эксплуатации и постэксплуатационной утили-зации изделия. Таким образом, совершенство-вание машиностроительных производств опре-деляется стратегией разработки и использова-

ния защитных средств от глобальной конкурен-ции.

1. Анализ факторов, влияющих на раз-витие технологической производственной среды. Анализ различных аспектов проблемы развития и совершенствования технологиче-ской производственной среды (ТПС) [1-4] по-зволяет отметить, что наиболее значимое влияние на развитие ТПС оказывают факторы, представленные на рис. 1:

- глобальная конкуренция выпускаемых из-делий;

- необходимость обеспечения высокого ка-чества продукции;

- требования по обеспечению высокой экс-плуатационной надежности изделий;

- требования необходимости высокой функ-циональности изделий;

- ценовые требования к изделию; - требования по гибкости и возможности

быстрой переналадки производства под выпуск новой продукции;

Технологическая производственная среда: анализ тенденций совершенствования


- необходимость обеспе-чения полного жизненного цикла изделия;

- требования по обеспе-чению экологической безо-пасности производства.

С учетом факторов, влияющих на развитие со-временного производства в условиях жесткой глобаль-ной конкуренции и все большего уменьшения про-изводимых изделий и их партий до количества, опре-деляемого индивидуальным заказом потребителя, его можно охарактеризовать как гибкое, рыночно ориен-тированное. Эффективность такого производства харак-теризуется:

- уменьшением времени на производство изделия, включающего время на его конструирование и изготов-ление;

- возможностями апри-орной (превентивной) опти-мизации технологических процессов обработки (вир-туальный инжиниринг);

- использованием об-ширных научных и практических знаний в технической граничной об-ласти (технический интел-лект);

- использованием новых видов материалов с особы-ми физико-механическими свойствами, обычно назы-ваемыми труднообрабаты-ваемыми материалами.

Совершенствование ма-шиностроительных произ-

Рис. 1. Основные факторы, влияющие на развитие ТПС современного машиностроительного производств

водств определяется стратегией использования защитных средств от глобальной конкуренции. К таким средствам могут быть отнесе-ны (см. рис. 1):

- высокоэффективные процессы обработки; - производство инновативных компонентов изделий; - применение высокоэффективных конструкционных материа-

лов с принципиально новым набором свойств и т.д. Анализ подобных средств позволяет отметить, что все они бази-

руются на научных разработках высокого уровня, являющихся мощным резервом повышения эффективности и конкурентной безопасности производства, поэтому определяются использованием технологий, обычно называемых высокими технологиями ВТ (HiTech).



2. Основные этапы развития технологи-ческих производственных сред. Развитие ма-шиностроительных производств, начиная с 70-х гг. XX века, характеризуется несколькими этапами (рис. 2):

- ориентация производства на методы реали-зации производственных процессов повышен-ной эффективности;

- создание высокоавтоматизированных и вы-сокоточных систем компьютеризированного производства с наблюдательными функциями персонала - компьютеризированное интеграль-ное производство (КИП-CIM);

- оптимизация производственных структур с децентрализованными, самоорганизующимися структурными подразделениями - концепция рационального («тощего») производства (LP - Lean Production);

- ориентация на научный потенциал, знание предметной области, наукоемкие технологии.

Производства, ориентированные на инно-вационные методы. В 70-е гг. XX века резко возросли требования к эффективности произ-водства. Промышленные предприятия все в большей степени начинают использовать высо-копроизводительные автоматизированные стан-ки с ЧПУ, обрабатывающие центры с компью-терным управлением взамен универсального станочного оборудования, что позволило суще-ственно увеличить эффективность производст-венных процессов за счет роста как производи-тельности, так и повышения качества и точно-сти обработанных деталей и изделий в целом. Рассматриваемый этап в развитии производства послужил основной базой для создания высоко-

автоматизированных и высокоточных систем интегрального компьютеризированного произ-водства (КИП) с ориентированием на полную замену человеческого фактора в управлении производственными процессами компьютерным автоматическим управлением.

Производства, ориентированные на ин-тегрированное компьютерное управление. К началу 80-х гг. машиностроительные производ-ства все в большей степени начинают использо-вать новейшие технологические процессы, про-исходит чрезвычайно быстрое совершенствова-ние производственного оборудования с высокой универсальностью и способностью перестраи-ваться на выпуск новой продукции. Создаются новые перестраиваемые производства, разраба-тывается концепция компьютеризированного интегрированного производства (КИП).

Системы КИП характеризовались высоким уровнем применения компьютерных систем управления производством, основу которого составляют станочное оборудование с ЧПУ и гибкие производственные системы изготовле-ния и сборки изделий, управляемые от ЭВМ. Большое применение получили системы авто-матизированной обработки информации, систе-мы автоматизированного проектирования (САПР), а также автоматизированные системы технологической подготовки производства с полной интеграцией материальных, производ-ственных и людских ресурсов.

Реализация производства на основе принци-пов КИП стала возможной только при разра-ботке:

Рис.2. Основные этапы совершенство-вания технологических производст-венных сред (ТПС)



- оборудования, оснащенного числовым программным управлением, которое позволяет компоновать гибкие производственные системы с возможностями полного компьютерного управления процессами изготовления изде-лий;

- автоматизированных систем при проекти-ровании, технологической подготовке произ-водства и управлении производственными про-цессами;

- систем компьютерной обработки обшир-ной информации в сферах экономических рас-четов, планирования, маркетинга, управления, технологической подготовки и т.д.

Основными компонентами КИП являются: - гибкие системы изготовления и сборки из-

делий, управляемые от ЭВМ; - высокоэффективные технологические про-

цессы; - системы, обеспечивающие поставку заго-

товок строго по графику (в срок); - автоматизированные системы снабжения и

обеспечения производственных процессов; - компьютеризированные автоматизирован-

ные системы при проектировании (CAD), пла-нировании (CAP), производстве (CAM), обеспе-чении качества (CAQ) и сборке (CAA).

Следует отметить, что на предприятиях с высокоавтоматизированными системами произ-водства, функционирующими на основе прин-ципов КИП, «человеческий фактор» все больше устраняется от непосредственного участия в производственных процессах и берет на себя лишь наблюдательные функции. Подобный подход реализован на нескольких «безлюдных предприятиях», которые сначала появились в Японии, а затем частично и в Германии. Таким образом, КИП можно рассматривать как гло-бальную ведущую концепцию промышленного производства второй половины ХХ столетия.

Концепция рационального производства (РП). К середине 90-х гг. концепция КИП начи-нает претерпевать заметную трансформацию, так как желаемая степень сложности и высокой автоматизации производства не могла быть обеспечена без участия «человеческого факто-ра» и поддержки иерархически скомпонованной организационной структуры. Структуры пред-приятий были упрощены, целые иерархические

слои были удалены в целях улучшения инфор-мационных потоков и экономии средств. Пред-приятие было разделено на децентрализован-ные, самоорганизующиеся и самооптимизи-рующиеся структурные подразделения. Возни-кают высокоэффективные гибкие производства, способные оперативно реагировать на измене-ния коньюктуры, в которые снова вернулся че-ловек. Таким образом, произошел структурно-ориентированный процесс преобразования, в основу которого заложена стратегия РП (Lean Production), базирующаяся на концепции упро-щения и децентрализации его структуры (рис. 2). Для РП характерно возвращение «чело-веческого фактора» со всеми творческими спо-собностями и новейшими идеями в сферу соз-дания материальных ценностей и принятия ключевых решений.

Отличительной особенностью РП является высокая производительность производственных процессов при обеспечении согласованности и интеграции всех элементов, участвующих в них. Стадия разработки изделий производится параллельно для всех конструкторско-технологических служб, к разработке привле-каются поставщики комплектующих и расход-ных материалов, а также заказчики, при этом эффективное функционирование быстродейст-вующих информационных коммуникаций явля-ется определяющим.

Степень автоматизации производственных процессов для РП, так же как и для КИП, явля-ется весьма высокой, однако автоматизации подвергаются, прежде всего, простые процессы; при этом автоматизированные процессы упро-щаются и становятся более надежными. Так как производственные процессы по своей природе нестабильны, то и для РП неизбежны сбои про-изводства. Однако для РП характерна быстрая и непосредственная реакция на нарушение произ-водственных процессов, что является одним из основных принципов.

Совокупность принципов РП позволяет по-стоянно улучшать процесс производства в виде непрерывного (монотонного) или ускоренного (скачкообразного) снижения расходов путем сокращения прежде всего расточительных (не-производительных) затрат.



Ускоренный процесс освобождает кратко-срочные резервы рационализации производства. С помощью этих процессов систематически изучается структура статей «чистой себестои-мости». Все, что непосредственно не способст-вует производству продукции, считается расто-чительными расходами и устраняется за исклю-чением самых необходимых. В этих процессах непосредственно отражаются и реализуются результаты усилий всей команды. В качестве критерия оценки используются длительность производственного цикла, сроки и затраты на ее изготовление, объем фондов и качество про-дукции.

Концепция «рационального производства» не противоречит стратегии структурно-ориентированного компьютеризированного ин-тегрированного производства, так как стремле-ние к компьютерной интеграции на всех стади-ях производства было заново адаптировано к квалификации персонала с учетом его способ-ности к познанию. Таким образом, отличие но-вой концепции рационального производства от стратегии компьютеризированного интеграль-ного производства состояло только в сфере ор-ганизационных мероприятий.

Однако уже к концу XX века концепция «полной рационализации» во всех сферах про-изводства практически исчерпала себя, порож-дая тем самым вопросы о парадигме (путях) дальнейшего совершенствования производства в XXI веке.

Концепция КИП второго поколения бази-руется на интеграции преимуществ КИП перво-го поколения и концепции «рационального производства», так как они преследуют одни и те же цели и следуют одним и тем же принци-пам. Целью такой системы является необходи-мость повышения эффективности производства за счет усиления роли «человеческого фактора», который не может быть заменен ЭВМ при лю-бой степени ее совершенствования. Анализ ос-новных особенностей КИП второго поколения позволяет отметить, что для реализации страте-гии «рационального производства» в диапазоне концепции КИП необходимо:

- предельно упростить процессы производ-ства и системы для их реализации;

- управлять простыми производственными процессами с помощью ЭВМ;

- децентрализовать производственные сис-темы;

- ускорить и усилить прохождение инфор-мации по сетевым каналам связи;

- повысить надежность систем управления производством;

- систематически и в максимально короткие сроки устранять причины ошибок и выявленные ошибки;

- предельно сократить маршруты прохожде-ния изделий при производстве.

Концепция КИП второго поколения исполь-зуют децентрализованную структуру организа-ции производства, так как последняя более опе-ративно устраняет ошибки, помехи и отказы. В этой связи современные производства, исполь-зующие стратегию КИП второго поколения, требуют:

- динамического изменения организацион-ных структур вследствие сокращения производ-ственных и технологических циклов;

- использования комплексного оборудования и процессов;

- применения экологически безопасных тех-нологических процессов;

- использования децентрализованных орга-низационных структур, которые более дина-мично и гибко приспосабливаются к изменяю-щимся требованиям рынка.

Таким образом, современный этап развития машиностроительных производств характери-зуется широким использованием научных зна-ний и разработок, наукоёмких технологий. В основе подобных производств находится инно-вационный продукт с укороченным жизненным циклом обновления, способный удовлетворить возрастающие потребности человеческого со-общества. При тесных взаимосвязях в системах «человек-организация», «оборудование-техно-логия» методы производства вносят все более ощутимый вклад не только в дальнейшее со-вершенствование базовых, но и в создание принципиально новых наукоемких технологий, способных решать все более сложные задачи современных производств. Обычно такие тех-нологии называют «высокими технологиями» (ВТ, HiTech). Рассмотрим некоторые из них на



примерах наукоёмких машиностроительных производств.

3. Факторы, влияющие на развитие про-изводственной технологической среды нау-коемких машиностроительных отраслей. Проанализируем степень влияния различных факторов на развитие производственной среды на примерах машиностроительных отраслей с высоким уровнем применения высоких техно-логий.

Авиационное двигателестроение. Эта от-расль характеризуется бурным развитием науч-ных исследований в области создания новых конструкционных материалов, которые все ши-ре используются в авиационном двигателе-строении (рис.3).

Большинство таких материалов характеризу-ется крайне низкой обрабатываемостью, кото-рая ухудшается по мере повышения жаропроч-ных свойств. В частности, это относится к ни-келевым и титановым сплавам, к композитам на основе алюминиевых и титановых сплавов, уп-рочненных полимерными материалами, а также интерметаллоидам типа Ti-А1, Ni-А1 и др. (рис.3).

Повышение эксплуатационных свойств ма-териалов приводит к ухудшению их обраба-тываемости, что вызывает необходимость изы-скания новых технологических процессов при изготовлении двигателей. Например, обработка некоторых высокоэффективных материалов чрезвычайно затруднена из-за термомеханиче-ского воздействия на инструмент, узлы станка и обрабатываемую поверхность, причем это воз-действие возрастает вследствие отказа от при-менения СОТС из-за риска газонасыщения по-верхностного слоя и отрицательного изменения эксплуатационных свойств обработанных дета-лей [2, 3]. Таким образом, обработка резанием авиационных композиционных материалов яв-ляется сложной проблемой, решение которой требует интенсивных исследований.

В качестве примера рассмотрим особенности изготовления центрального узла современного авиационного двигателя-диска, оснащенного лопатками. Традиционно диск и лопатки изго-товляли отдельно, затем собирали в единый узел, который подвергали прецизионной

динамической балансировке. В настоящее вре-мя сборная конструкция узла вытесняется цель-ной в виде моноколеса. «Моноколесо» обраба-тывают на пятикоординатных фрезерных стан-ках с помощью цельнотвердосплавных конце-вых фрез, изготовленных из ультрамелкозерни-стых твердых сплавов с композиционно-много-слойным покрытием. Применение новой техно-логии позволяет не только сократить трудоем-кость операции изготовления узла на 20…30%, но и уменьшить массу двигателя до 30% и уве-личить его ресурс [2].

Еще одним примером является эффективное применение инструмента, оснащенного оксид-ной (А1203) режущей керамикой (РК), упроч-ненной кристаллами SiC, и поликристалличе-ским нитридом бора (ПНБ, PBN), для сухого резания труднообрабатываемого никелевого

а)

б)

Рис. 3. Материалы, применяемые в авиационном двигателестроении (а) и зависимость их свойств от температуры (б)



Рис. 4. Зависимость длины пути резания L от ско-рости v при обработке сплава на никелевой основе (Inconel 718) пластинами из твердого сплава HW-K10/20 (кривая 1), пластинами из упрочнен-ной кристаллами SiC режущей керамики Al203

(кривая 2) и пластинами из поликристалли-ческого нитрида бора (кривая 3) c t = 0,3 мм,s = 0,12 мм/об для пластин РК и CBN и t = 1,0 мм,s = 0,2 мм для пластин из твердого сплава. Крите-рий стойкости h3=0,3 мм

сплава Inconel 718 (рис. 4), что позволяет резко повысить производительность обработки [3, 4].

Автомобилестроение. Развитие современ-ного автомобилестроительного производства определяется высокими требованиями к надеж-ности продукции, функциональным свойствам, ценовому диапазону, инновативности конст-рукции, экономичности. Такой подход требует кардинального пересмотра материалов, ранее применявшихся в данной отрасли. Так, в стра-нах Евросоюза, Японии и США прогнозируется резкий рост потребления алюминия и его спла-вов, прежде всего в автомобилестроении. Рас-ширение применения алюминия способствует снижению массы автомобиля при сохранении его функциональных качеств и надежности [3 - 5].

Резкий рост использования алюминия в про-изводстве стимулировал интенсивные разработ-ки и внедрение новых технологических методов его высокоэффективной обработки, в частности, разработана гамма режущих инструментов (РИ), оснащенных пластинами из поликристал-лического алмаза, а также новое станочное обо-рудование, обеспечивающее скорости резания v > 1000 м/мин. Указанное относится к таким операциям, как сверление, фрезерование, на ко-торых алмазный РИ значительно потеснил твердосплавный [4 - 6].

Наиболее сложной сферой автомобилестрое-ния является производство двигателей. Класси-ческим материалом для изготовления блока ци-линдров долгие годы был серый чугун с пла-стинчатым графитом (ЧПГ), который характе-ризуется хорошей обрабатываемостью, низкой

стоимостью, высокими трибологическими свойствами и демпфирующей способностью, а также прочностью, достаточной для карбюра-торных двигателей. С переходом на инжектор-ные двигатели возникла проблема замены серо-го чугуна более прочным (табл. 1).

Альтернативой ЧПГ послужил высокопроч-ный чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ), включение которого способствует повышению теплопроводности материала по сравнению, на-пример, с чугуном с шаровидным графи-том (ЧШГ), а также снижает усадочные эффек-ты. Такой чугун обладает хорошими литейными свойствами, высокой демпфирующей способно-стью и теплопроводностью, почти соответст-вующими аналогичным свойствам ЧПГ, и в то же время имеет высокие прочностные свойства.

По данным фирмы DAF, при изменении ма-териала блока цилиндров с ЧПГ на ЧВГ мощ-ность двигателя одной и той же конструкции возрастает с 480 до 530 л.с. Однако широкое применение ЧВГ сдерживается из-за его плохой

1. Свойства чугунов

для автомобильных двигателей

Параметр ЧПГ ЧВГ ЧШГ

σв, МПа 250 450 750

Е, ГПа 105 145 160

σ-1, МПа 110 200 250

λ, Вт/(м . К) 47 37 28

Обозначения: σв - предел прочности; Е - модуль упругости; σ-1 - предел выносливости; λ - коэффи-циент теплопроводности



обрабатываемости резанием. В связи с этим проводятся широкие исследования по изучению обрабатываемости ЧВГ и разработке новых ма-рок твердых сплавов с мелкозернистой и су-пермелкозернистой структурой с покрытием специально для обработки ЧВГ. Такие сплавы обладают сбалансированным соотношением твердости и вязкости, характеризуются чрезвы-чайно высокой плотностью и однородностью структуры, пригодны для нанесения износо-стойких покрытий различными методами (CVD, PVD) [3].

Даже весьма краткий анализ ТПС наукоём-ких производственных сред позволяет выявить радикальные изменения, происходящие в тех-нологиях производственных процессов, слабым звеном которых является режущий инструмент (РИ). Таким образом, возникает необходимость серьезных усилий по разработке инновацион-ных инструментальных материалов и режущих инструментов.

Производство инструментальных мате-риалов (ИМ). Основные эксплуатационные ха-рактеристики РИ [режущие свойства (износо-стойкость), производительность, эксплуатаци-онная надежность и т.д.] определяются геомет-рией режущей части и, главным образом, свой-ствами ИМ [2, 5-17].

Классификация основных ИМ, применяемых в современных машиностроительных производ-ствах [9], и анализ изменения структуры их по-требления в связи с требованиями технологиче-ской производственной среды позволяют отме-тить следующее (рис. 5). Реальные тенденции совершенствования ИМ связаны с повышением твердости, теплостойкости и износостойкости в ущерб прочности и вязкости. Между тем "иде-альный" ИМ должен обладать сбалансирован-ным сочетанием твердости, теплостойкости, вязкости и прочности при изгибе [9].

Кратко проанализируем тенденции совер-шенствования основных групп ИМ - твердых сплавов (ТС) и режущей керамики (РК).

Твердые сплавы являются основным ИМ, применяемым для производства РИ (рис. 5). В настоящее время исследования в области разра-ботки новых марок ТС проводятся по следую-щим направлениям [9]:

- разработка ультрамелкозернистых (с зер-ном 0,3…0,5 мкм) и экстрамелкозернистых (с зерном 0,5…0,9 мкм) ТС, имеющих более сба-лансированное сочетание твердости и вязкости по сравнению с ТС нормальной (1,4…2,0 мкм) и крупной (3,5…5,0 мкм) зернистости;

- создание ТС со связкой повышенной жаро-прочности (например, легирование кобальтовой связки Re и Ru) и с более высокой сопротив-ляемостью вязкому разрушению при повышен-ных температурах по сравнению со стандарт-ными ТС;

- разработка экономнолегированных без-вольфрамовых ТС с никельмолибденовыми связками, не содержащих дорогостоящих и де-фицитных элементов (W, Co, Ta);

- разработка универсальных марок ТС с из-носостойкими покрытиями, в значительной сте-пени отвечающих требованиям к ИМ с «иде-альными свойствами»;

- разработка слоистых (композиционных) ТС, экономно сочетающих дорогостоящий и высокоизносостойкий относительно тонкий по-верхностный слой с более дешевым массивным субстратом.

Твердые сплавы нового поколения предна-значены для решения совокупности современ-ных технологических задач:

- сухое высокоскоростное резание; - обработка материалов повышенной твердо-

сти; - резание труднообрабатываемых материа-

лов; - изготовление цельнотвердосплавных инст-

рументов со сложнопрофильной формой режу-щей части (сверла, концевые фрезы, метчики и т.д.) [9].

Для лучшей сбалансированности твердости и вязкости разработана гамма марок сплавов, имеющих ультра- и экстрамелкозернистую структуру.

Прямым результатом уменьшения размеров зерен является существенное улучшение свой-ства твердого сплава, и, в первую очередь, твердости и износостойкости при обеспечении достаточно высокой прочности сплава при из-гибе (вязкости). Сплавы с ультра- и экстрамел-козернистой структурой обладают повышенной сопротивляемостью режущей кромки РИ из сплава микрохрупкому разрушению (микровы-



Рис. 5. Измене-ние структуры потребления ин-струментальных материалов в материалообра-батывающих производствах

крашиванию), что чрезвычайно важно при ис-пользовании таких сплавов для операций пре-рывистого резания или резания со знакопере-менными термомеханическими нагрузками.

Еще одним следствием снижения размера зерна является возможность получения РИ с более «острой» режущей кромкой, уменьшен-ными величинами угла режущего клина и ра-диусом округления. Результатом использования такого РИ является снижение сил резания и температуры в зоне контакта. С уменьшением размера зерна снижается также теплопровод-ность ТС и увеличивается количество теплоты, отводимой в стружку. В настоящее время доля инструмента, оснащенного пластинами из ульт-рамелкозернистых и экстрамелкозернистых твердых сплавов составляет до 60 % от всего выпуска твердосплавного инструмента.

Использование сменных многогранных пла-стин (СМП) из ультрамелкозернистых и экст-рамелкозернистых ТС (особенно СМП с улуч-шенной геометрией) способствует существен-ному повышению эффективности чистовой об-работки. РИ, оснащенный такими СМП, позво-ляет эффективно решать задачи, связанные:

- с улучшением стружкодробления; - со снижением термической напряженности

инструмента и уменьшением интенсивности диффузионного изнашивания РИ при высоко-скоростной обработке;

- с уменьшением склонности к наростообра-зованию;

- с увеличением точности и качества резания труднообрабатываемых материалов.

Указанные выше особенности инструмента,

оснащенного ультра- и экстрамелкозернис-тыми ТС, делают его применение особо пер-спективным в тех случаях, когда из-за высоких сил резания и температур необходима повы-шенная износостойкость РИ. Это относится к точению и фрезерованию материалов повышен-ной твердости, к сухому высокоскоростному резанию, обработке конструкционных поли-мерных материалов с повышенными абразив-ными свойствами и др.

Режущая керамика (РК). Основной особен-ностью РК является отсутствие связующей фа-зы, что значительно снижает степень ее разупрочнения при нагреве в процессе изнаши-вания. Благодаря высокой пластической проч-ности возможно применение РК при высоких скоростях резания, намного превосходящих скорости резания инструментом из ТС (900…1000 м/мин и выше против 359…500 м/мин).

Однако отсутствие связующей фазы оказы-вает и отрицательное влияние на эксплуатаци-онные свойства керамического РИ. В частно-сти, керамический материал имеет уменьшен-ные хрупкую прочность, ударную вязкость и трещиностойкость, что сильно влияет на харак-тер изнашивания керамического РИ, протекаю-щее в виде микро- или макровыкрашиваний контактных площадок уже на стадии прирабо-точного или начального этапа установившегося изнашивания. Все это приводит к отказам из-за хрупкого разрушения РИ. Такой механизм из-нашивания керамического РИ является прева-лирующим, причем он фактически не зависит от скорости резания (так как диапазон



Рис.6. Концептуальная схема архитектуры вы-сокопрочной компози-ционной керамики (ВКК) с наноструктури-рованным многослойно-композиционным по-крытием

температур, возникающих при резании не ока-зывает заметного влияния на снижение твердо-сти керамического материала) и в значительной степени определяет область применения кера-мического РИ.

В настоящее время керамический РИ реко-мендуют для чистовой обработки серых, ков-ких, высокопрочных и отбеленных чугунов, низко- и высоколегированных сталей, в том числе улучшенных, термообработанных (55…60 HRC), цветных сплавов, конструкци-онных полимерных материалов (К01-К05, Р01-Р05). В указанных условиях инструмент, оснащенный пластинами из РК, заметно пре-восходит по работоспособности твердосплав-ный инструмент.

Исследования по совершенствованию свойств РК для расширения области примене-ния направлены на повышение ее прочности и снижение хрупкости. Традиционный подход к проблеме повышения эффективности керамиче-ского инструмента связан с увеличением ее прочности за счет вариации химического со-става или использования упрочняющих компо-нентов, применения упрочнения пучками вы-сокоэнергетических ионов (Ti, Zr, Cr), армиро-вания в целях упрочнения нитевидными кристаллами SiC. Однако ни одно из вышеупомянутых ре-шений не привело к кардинальному решению вопроса повышения прочности керамики и су-щественного расширения области ее технологи-ческого применения.

Для создания композиционной керамики расширенной области применения, интегри-рующей свойства твердого сплава, керамики и функциональных покрытий, проведены совме-стные исследования МГТУ «СТАНКИН», МИСиС и ФГУП «ВНИИТС» [9, 18].

С учетом повышенных термомеханических напряжений, действующих на систему резания (особенно на режущий инструмент), характер-ных для сухой обработки без применения СОТС, разработана концепция инструменталь-ного материала с повышенными физико-механическими и режущими свойствами на ос-нове композиционно-слоистой системы из трех основных элементов с градиентом свойств в объеме геометрического тела инструмента. В таком композите оптимально сочетали свойства:

- твердого сплава (достаточная прочность и вязкость);

- режущей керамики (высокая твердость те-плостойкость и износостойкость);

- наноструктурированного покрытия (благо-приятная трансформация контактных процессов при резании, «залечивание» поверхностных де-фектов керамики) (рис.6) [10, 19, 20].

Подобный композиционный материал полу-чил название «высокопрочная композиционная керамика» (ВКК) с покрытием.

(Окончание в следующем номере).




1. Высокие технологии – основа развития современ-ного производства / Л.Л. Бродский, А.С. Верещака, А.В. Рыбаков, С.А. Шептунов // Вестник компьютерных и информационных технологий. № 5. 2004. С.22-32.

2. Spur Gunter, Sata Toshio. The Factories That Change the World. A Japanese and german View. Report on International Symposium “International Trends in Manu-factturing Towards the 21st Century. Berlin, 1991(In Eng-lish).

3. Milberg J. Production Prospects for the Automotive Industry. IX. Internationales Produktionstechnisches Kollo-quium. PTK 98. Berlin. 1998. P.29-39. (In German).

4. Klocke F., Gerschwiler K. Producing turbine compo-nents – Modern cutting materials improve productivity. IX Internationals Productions technisches kolloquium PTK-98. Berlin, 1998. p.203-210. (In English).

5. Scherbarth S. Moderne Scheidstoffe und Werkzeuge-wege zur gesteigerten Productivitat. Sandvik Dusseldorf. Werkzeugtagung 2002. (In German).

6. Westphal Y. Bearbeitung schwerspanbarer Werkstoffe. Widia Essen. Warkzeugtagung 2002. (In Ger-man).

7. Kassack J. Fortschritte bei der GGV- Bearbeitung in der Automobilindustrie und der Werkzeugaspekten. AUDI AG.Ingolstadt. Werkzeugtagung 2002.

8. Кириллов А.К. Разработка и исследование техно-логии сухого резания труднообрабатываемых материалов с компенсацией физических функций СОТС / А.К. Кириллов, А.С. Верещака, А.А. Козлов, З.Ю. Робо-кидзе // СТИН. 2009. № 1. С. 35-40.

9. Верещака А.С. Некоторые тенденции развития технологической производственной среды // СТИН. № 8. 2009. С.12-19;. № 9. 2009. С.9-14.

10. Верещака А.С. Применение высокопрочной ком-позиционной керамики с наноструктурированным покры-тием в технологиях экологически дружественной сухой обработки резанием с компенсацией физических функций СОТС / А.С. Верещака, А.К. Кириллов, Е.С. Сотова, А.В. Дачева // СТИН. 2010 № 6. С.32-37; №7. С.38-40.

11. Верещака А.С. и др. Повышение эффективности резания труднообрабатываемых материалов с примене-нием инструмента с наноструктурированным износотой-ким покрытием // А.С.Верещака, А.И. Аникеев, А.В. Дачева. Технология машиностроения. 2010. №3. С.17-22.

12. Верещака А.С. и др. Функциональные покрытия для режущего инструмента. //А.С. Верещака, А.А. Вере-щака // Упрочняющие технологии и покрытия. № 6. 2010. С.28-43.

13. Верещака А. С. Разработка и исследование про-цесса синтеза вакуумно-дуговых покрытий с ассистиро-ванием высокоэнергетическими ионами. / А.С. Вереща-ка, О.И. Обрезков, Л.Г. Дюбнер // Материалы XIII меж-дународного науч.-техн. семинара. Харьков-Алушта: НТУ «ХПИ», 2003. С. 28-40.

14. Panckow A., Sladkov D., Pawan K. Singh, Gen-zel C. Low-temperature metal ion implantation assisted depo-sition of hard coatings. Surface & Coatings Technology 188-189 (2004). P. 214- 219.

15. Верещака А.А. и др. Патент РФ № 2198243. Мно-гослойно-композиционное износостойкое покрытие. 10.02. 2003 с приоритетом от 05.08.1998.

16. Верещака А.А., Верещака А.С., Лапин В.Ф. Управление структурой и свойствами износостойких по-крытий как метод повышения эксплуатационных харак-теристик режущего инструмента - процессы, оборудова-ние, технология // Сб. науч. тр. «Высокие технологии в машиностроении». Харьков: НТУ «ХПИ», 2001 Вып.1 (4). С.46-50.

17. Верещака А.А. Повышение режущих свойств твердосплавного инструмента путем рационального вы-бора состава структуры и свойств наноразмерных износо-стойких комплексов / Автореферат на соискание уч. степ. канд. техн. наук. Москва: 2010. 24 с.

18. Григорьев С.Н., Волосова М.А. Технология комбинированного поверхностного упрочнения режуще-го инструмента из оксидно-карбидной керамики // Вест-ник машиностроения. 2005. № 9. С. 32-36.

19. Волосова М.А., Григорьев С.Н. Технологиче-ские принципы осаждения износостойких нанопокрытий для применения в инструментальном производстве // Уп-рочняющие технологии и покрытия. 2010. № 6. С. 37-42.

20. Григорьев С.Н., Мельник Ю.А., Метель А.С., Панин В.В., Прудников В.В. Компактный источник пара материала проводящей мишени, распыляемой ионами с энергией 3 кЭв при давлении 0,05 Па // Приборы и тех-ника эксперимента. 2009. № 5. С. 127-133.

Верещака Анатолий Степанович – д-р техн. наук профессор кафедры «Технология машино-строения» МГТУ «Станкин». [email protected]

Veretshaka Anatoly Stepanovich – doctor of technical sciences professor of the chair of "Machine-building technology" MSTU «Stankin». [email protected]

Контактные процессы при резании керамическими инструментами


УДК 621.922.079:666.3

В.В. Кузин, С.Ю. Федоров, М.Ю. Федоров

V.V. Kuzin, S.J. Fedorov, M.J. Fedorov


Contact processes by cutting by ceramic tools

Приведены результаты экспериментальных исследований, позволившие связать характер контактного взаимодействия в широком диапазоне скоростей резания с условиями силового нагружения керамических инст-рументов. Показана возможность управления напряженным состоянием и эксплуатационными показателями керамических инструментов.

Results of the experimental researches, allowed to connect character of contact interaction in a wide range of speeds of cutting with conditions power pressure ceramic tools are resulted. Management possibility is revealed by an intense condition and operational indicators of ceramic tools.

Ключевые слова: инструменты, высокоскоростное резание, контактные процессы. Key words: ceramic tools, high-speed cutting, contact processes.

Введение

Физические закономерности деформацион-ных процессов при высокоскоростном резании являются актуальной областью исследований. В основе научного интереса к этой тематике – проблема повышения производительности ме-ханической обработки, с которой непосредст-венно связаны вопросы создания новых инст-рументальных материалов и режущих инстру-ментов, обладающих повышенными эксплуата-ционными характеристиками [1]. Успешное решение этих вопросов, в свою очередь, зависит от степени изученности физики процесса высо-коскоростного резания и характера изнашива-ния инструментов в этих условиях.

Специфические и недостаточно изученные контактные процессы при высокоскоростном резании не позволяют в окончательном виде определить технические требования к инстру-ментам, ориентированным на эти условия экс-плуатации. Это обстоятельство имеет особозна-чение для керамических инструментов, которые по комплексу свойств наиболее подходят для высокоскоростной обработки [2, 3]. Это связано с тем, что при высокой скорости резания про-цессы пластической деформации обрабатывае-

мого материала в зоне резания претерпевают существенные изменения [4]. Кроме того, край-не низкая теплопроводность керамических ре-жущих пластин способна изменить тепловой баланс в зоне резания [5 - 7].

Цель проведенной работы – выявление зако-номерностей контактных процессов при высо-коскоростном резании керамическими инстру-ментами, позволяющих вскрыть природу износа и сформулировать подход к определению науч-но обоснованных требований, необходимых для совершенствования существующих и разработ-ки новых марок режущей керамики.

Методика эксперимента

Методическое обеспечение эксперименталь-ных исследований разработано с учетом сфор-мулированных задач и условий эксплуатации керамических инструментов. Эксперименты выполняли на токарно-винторезном станке мод. 16K20 в широком диапазоне режимов ре-зания: v = 5…1200 м/мин, s = 0,075…0,8 мм/об, t = 0,25…5 мм. Исследования проводили при точении конструкционной стали 40X (220…240 НB), серого чугуна СЧ32 (180…220 HB), молибденового сплава М-НП и никелевого сплава ХН77ТЮР.



Рис. 1. Устройства для получения образцов с «неразрушенной зоной резания»: а – общий вид устройства; б – рабочая зона устройства

В экспериментах использовали резцы, осна-

щенные режущими пластинами ВО13, BOK71 и РКС22 формы SNGN 120408 (в отдельных ис-следованиях использовали режущие пластины специальных форм). Свойства керамических режущих пластин приведены в табл. 1. Для сравнения использовали режущие пластины из твердого сплава ВК6. Режущие пластины отби-рали в случайном порядке с последующим внешним осмотром и измерением геометриче-ских размеров. Надежную установку пластин в корпусе резцов обеспечивала схема крепления «прихват сверху». Резцы имели следующую геометрию режущей части: γ = – 7°, α = 7°, φ = φ1=45°, ρ = 20…25 мкм или fф γф = 0,15 мм x х 10о.

Деформационные процессы в зоне стружко-образования изучали на шлифах образцов с «неразрушенной» зоной резания и на шлифах, вырезанных из поверхностного слоя обработан-ных деталей. Для получения образцов с «нераз-рушенной» зоной резания использовали специ-ально разработанное и изготовленное устройст-во (А.с. № 1152715 от 3.01.85; № 1226155 от

22.12.85). Такой подход объясняется тем, что анализ устройств, предназначенных для полу-чения аналогичных образцов, показал, что ни одно из известных решений не удовлетворяет требованиям, определенным задачами настоя-щей работы.

При проектировании устройства были обес-печены следующие требования:

- надежная эксплуатация при высоких ско-ростях резания до 500 м/мин;

- исключение разрушения режущей пласти-ны в момент получения образца;

- автоматизированное управление. Созданное устройство удовлетворяет этим

требованиям и позволяет получать высококаче-ственные образцы с «неразрушенной» зоной резания за счет превышения скорости вывода режущей пластины из контакта с заготовкой над скоростью резания (рис. 1).

Оно обеспечивает также высокую точность экспериментов за счет сокращения времени пе-реходного процесса, динамических нагрузок и гарантированного превышения скорости вывода инструмента из зоны резания над скоростью ре-зания.

Таблица 1

Режущая пластина Состав Плотность ρ, г/см3

Твердость HRA

Предел прочности при изгибе σи, МПа

BO13 Al203 3,9 91 – 92 400

ВОК71 Al203-TiC 4,2 – 4,3 93 – 94 650

РКС22 Si3N4-TiC-Y2O3-А12О3 3,4 94 790



Устройство позволяет получать образцы с «неразрушенной зоной резания» при свобод-ном, несвободном и прерывистом высокоскоро-стном резании благодаря использованию пово-ротных державок разных исполнений.

Устройство предназначено для использова-ния на токарном станке и состоит из планшай-бы 1 с запрессованной втулкой 2, диска с удар-ником 3 и запрессованной бронзовой втулкой 4 и пальцем 5, которые посажены на цилиндриче-скую шейку оправки 6 (рис. 2, а). Планшайба 1 жестко соединена с оправкой 6, а диск с удар-ником подпружинен пружиной 7. Рабочий элек-тромагнит 8 навернут на резьбовое соединение оправки 6, фиксируется гайкой 9 и поджимается задним центром 10. Подвод питания к вращаю-щемуся электромагниту осуществляется с по-мощью медных колец на прокладке 11 и ще-ток 12. Обрабатываемая деталь выполнена в ви-

де диска 13, который так же как и шторка 14 крепится к планшайбе 1.

Резец устанавливается в резцедержателе и содержит вилкообразный корпус 15, поворот-ную державку 16, ось 17 и режущую пласти-ну 18, которая установлена в пазу поворотной державки 16 и в процессе резания фиксируется силами резания. Поворотная державка фикси-руется в рабочем положении срезным штиф-том 19 и подвижным штифтом 20; последний посредством рычага 21, имеющего возможность перемещения в горизонтальной плоскости во-круг оси 22, соединен с сердечником 23 вспомо-гательного электромагнита 24, расположенного в резцедержателе 25 токарного станка. Подвод питания к вспомогательному электромагниту осуществлен через клеммы 26. К станку при-креплен фотоприемник 27.

Рис. 2. Принципиальная схема (а) и система управления (б) устройства для получения образцов с«неразрушенной» зоной резания



Система управления содержит последова-тельно соединенные между собой фотоприем-ник (рис. 2, б), формирователь импульсов, дис-криминатор числа оборотов, ключ управления вспомогательным электромагнитом и вспомога-тельный электромагнит. Вторая часть системы управления состоит из формирователя разре-шающего сигнала, схемы совпадения, ключа управления рабочим электромагнитом и рабо-чего электромагнита.

При подготовке устройства к работе на пере-ключателе системы управления устанавливают необходимое число оборотов до срабатывания, диск из обрабатываемого материала закрепляют на планшайбе, а режущую пластину устанавли-вают в гнездо поворотной державки. В процессе резания ударник, вращаясь синхронно с заго-товкой, выведен из плоскости поворотной дер-жавки и удерживается в этом положении основ-ным электромагнитом. При совпадении задан-ного числа оборотов с периодом резания систе-ма управления выдает сигнал на срабатывание вспомогательного электромагнита. С помощью этого электромагнита выводится подвижный штифт 20 из поворотной державки, после чего она фиксируется в рабочем положении только срезным штифтом 19. Размагничивание основ-ного электромагнита означает выход ударника в

плоскость поворотной державки с дальнейшим ее выводом из зоны резания.

Из образцов с «неразрушенной» зоной реза-ния изготавливали шлифы для металлографиче-ских исследований с использованием пластин из синтетических алмазов марки САМ зерни-стостью 80/63, 28/20, 7/5 и 3/2 с концентрацией 100 % и связкой МП. Окончательную полиров-ку шлифов выполняли с использованием алмаз-ной пасты ACM зернистостью 1/0, нанесенной на плотную бумагу. Эта методика позволяла получать высококачественные шлифы без «за-валов» их периферийных участков; после этого шлифы протравливали раствором азотной ки-слоты в спирте.

Образцы с «неразрушенной» зоной резания получали при свободном поперечном точении диска (сталь 40Х) шириной 2 мм (рис. 3, а). На шлифах образцов с «неразрушенной» зоной ре-зания определяли расположение условной плоскости сдвига, параметры областей основ-ных и дополнительных пластических деформа-ций, а также микротвердость обрабатываемого материала. На рис. 3, б приведен пример опре-деления углов наклона условной плоскости сдвига β1 и β2, причем угол β1 измеряли между-вектором скорости и проекцией на плоскость резания выступов пилообразной поверхности стружки, а угол β2 – между вектором скорости и

Рис. 3. Примеры определения кон-тактных характе-ристик при реза-нии: а – схема резания; б – определение уг-лов наклона услов-ной плоскости сдви-га β1 и β2; в – изме-рение параметров областей основных и дополнительных пластических де-формаций; г – измерение мик-ротвердости обраба-тываемого материа-ла в зоне резания



проекцией на плоскость резания впадин пило-образной поверхности стружки. Ширину L и высоту h области основных пластических де-формаций, а также высоту h1 дополнительных пластических деформаций измеряли по схеме, приведенной на рис. 3, в. В основе этих иссле-дований находится анализ текстуры обрабаты-ваемого материала. Построение полей твердо-сти обрабатываемого материала в контактной зоне проводили по результатам измерений с ис-пользованием микротвердомера ПМТ–3 при на-грузке P на индентор 100 г (рис. 3, г). В сово-купности эти методы позволили получать де-тальную картину деформационных процессов в исследуемых областях. Фотографирование и измерение указанных контактных характери-стик выполняли с использованием микроскопов БМИ–2Ц и ММР–4.

Длины полного, пластического и упругого контактов керамической режущей пластины со стружкой измеряли на передней и задней по

верхностях режущих пластин, после стравлива-ния налипов (рис. 4, а), которое проводили 30%-ным водным раствором соляной кислоты. Для обеспечения точности замеров этих кон-тактных характеристик измерения также вы-полняли на прирезцовой поверхности стружки (рис. 4, б). Длины контактных площадок на рабочих поверхностях керамической режущей пластины измеряли на микроскопе БМИ-2Ц. В качестве истинных размеров контактных пло-щадок принимали их максимальные значения из десяти опытов.

Составляющие силы резания измеряли уни-версальным динамометром УДМ-600, установ-ленным на месте суппорта токарного станка и оснащенным комплектом измерительной аппа-ратуры (усилитель ТА-5 и осциллограф Н 117/1). Перед каждой серией опытов прово-дили тарировку динамометра. Для исключения влияния износа режущих пластин на силу реза-ния в каждом опыте использовали их новую кромку.

Рис. 4. Пример определения длины участков полного С, пластического С1 и упругого С2 контактов: а – на передней поверхности режущей пластины; б – на прирезцовой поверхности стружки

Результаты и их обсуждение

Результаты исследования контактных про-цессов при резании керамическими режущими пластинами позволили выявить их основные закономерности [8]. Установлено значительное влияние скорости резания на характер дефор-мационных процессов. Об этом свидетельству-ют результаты изучения влияния высокоскоро-стного резания на характер стружкообразова-ния, например форма стружки, образующейся при точении сплава ХН77ТЮР с v = 50…250 м/мин (s = 0,15 мм/об, t = 1 мм) режущими пластинами из нитридной керамики РКС22.

При точении со скоростью резания, которую в настоящее время используют при обработке заготовок из этого сплава, v = 50 м/мин форми-руется сливная стружка с радиусом завивания 50…100 мм в плоскости, нормальной к перед-ней поверхности инструмента (рис. 5, а). Уве-личение скорости резания до 100 м/мин приво-дит к образованию стружки в виде плоской винтовой спирали, состоящей из кольцеобраз-ных сегментов диаметром не более 20 мм, на которых отчетливо просматриваются внеший пилообразный рельеф и отдельные разрывы сильно деформированного металла.



Рис. 5. Форма стружки, образующейся при точении сплава ХН77ТЮР при скоростях резания v: а – 50 м/мин; б –150 м/мин; в –200 м/мин

При точении с v = 150 м/мин (рис. 5, б) стружка имеет вид плоских сегментов длиной 2…8 мм кольцеобразной формы с четко выра-женными пилообразными выступами на внеш-ней поверхности и большим числом разрывов сильно деформированного обрабатываемого металла. С увеличением скорости резания до v = 200 м/мин (рис. 5, в) происходит некоторое спрямление сегментов стружки и увеличение числа отмеченных выше разрывов, длина кото-рых достигает 25…30% от ширины стружки. Металлографические исследования показали, что эта стружка состоит из отдельных сегмен-тов практически недеформированного обраба-тываемого материала, соединенных тонким слоем металла (10…18 мкм) с сильно искажен-ной структурой. Микротвердость обрабатывае-мого материала в «прослойке» между соседни-ми сегментами стружки превышает в 1,5 - 2 раза микротвердость материала внутри сегмента.

При точении с v = 250 м/мин стружка состо-ит из отдельных элементов и дальнейшее уве-личение скорости резания не изменяет ее форму, что свидетельствует о завершении пере-

стройки деформационных процессов в зоне стружкообразования.

Исследование характера стружкообразова-ния, проведенное при точении стали 40Х в диа-пазоне скоростей резания v = 350…1000 м/мин (s = 0,3 мм/об, t = 1 мм) режущими пластинами из разных керамических материалов показало следующее. При точении режущими пластина-ми ВО13 и ВОК71 формы образующейся стружки заметно различаются. Это связано с тем, что оксидная керамика ВО13 имеет мень-ший коэффициент теплопроводности, в резуль-тате чего происходит изменение теплового ба-ланса в зоне резания по сравнению с режущими пластинами ВОК71 [9, 10].

Увеличение скорости резания уменьшает степень искажения структуры обрабатываемого материала по объему стружки, ширину L и вы-соту h области основных пластических дефор-маций, а также высоту h1 области дополнитель-ных пластических деформаций (табл. 2). С уве-личением фаски износа задней поверхности ке-рамических режущих пластин увеличиваются высоты h и h1 областей основных и дополни-

Таблица 2

Значения L / h / h1, мм, при различных скоростях резания v, м/мин Режущая пластина

150 400 750

ВО13 0,12/0,021/0,1 0,03/0,01/0,06 0,01/0,009/0,004

ВОК71 0,15/0,025/0,1 0,05/0,02/0,07 0,01/0,009/0,004

РКС22 0,17/0,025/0,1 0,06/0,02/0,06 0,01/0,009/0,004



Рис. 6. Контактные площад-ки на режущей пластине ВОК71 до стравливания на-липов обрабатываемого ма-териала (точение стали 40X, v = 500 м/мин, s = 0,3 мм/об, t = 1 мм)

тельных пластических деформаций соответст-венно. Например, при точении стали 40Х ре-жущими пластинами ВОК71 с фаской износа hз = 0,4 мм задней поверхности (v = 750 м/мин, s = 0,3 мм/об, t = 1 мм) высота h1 области до-полнительных пластических деформаций уве-личивается в 2 раза и достигает значения 0,01 мм.

Скорость резания влияет на длину контакта стружки с передней поверхностью при точении стали 40Х разными керамическими режущими пластинами. Установлено следующее: после прекращения процесса резания на контактных площадках керамических режущих пластин об-наружены налипы обрабатываемого материала, несмотря на химическую инертность инстру-ментального материала (рис. 6). Установлено, что морфология внешней поверхности налипов не зависит от марки режущей керамики и ско-рости резания.

На передней поверхности режущей пластины

формируется площадка полного контакта АА1 (длиной С) в результате схода стружки (рис. 6, а), а на задней поверхности режущей пластины – площадка контакта АА3 (длиной С3) в результате трения с обрабатываемой поверх-ностью (рис. 6, б). По морфологии внешней по-верхности налипов обрабатываемого материала контактные площадки поверхности на передней поверхности режущей пластины площадку пол-ного контакта можно разделить (по структуре налипшего обрабатываемого материала) на две области. Эти области условно идентифицирова-ли как участок пластического контакта АА2 (длиной С1) и участок упругого контакта А2А1 (длиной С2) керамической режущей пластины со стружкой.

Из микрофотографии видно, что внешняя по-верхность налипов обрабатываемого материала на участках С1 и С3 не имеет рисок, являющих-ся основным признаком внешнего трения. Рельеф внешней поверхности налипов на этом

Рис. 7. Контактная площадка режущей пластины ВОК71 после удаления налипов обрабатываемого материала (точение стали 40X, v = 500 м/мин, s = 0,3 мм/об, t = 1 мм)



участке имеет характерные очаги разрывов свя-зей между соседними слоями обрабатываемого материала, что свидетельствует о реализации процесса внутреннего трения в обрабатываемом материале. В местах разрывов связей обнару-жена некоторая волокнистость, характерная для разрушения сильно деформированных и вытя-нутых зерен металла. На площадке упругого контакта А2А1 (длиной С2) на передней поверх-ности обнаружены дискретные налипы обраба-тываемого материала, которые также находятся в достаточно плотном контакте с режущей пла-стиной. На внешней поверхности налипов за-метны риски, свидетельствующие о внешнем трении. В отдельных случаях эти риски распро-страняются на поверхность режущей пластины.

После удаления (стравливания) налипов об-рабатываемого материалов с керамических ре-жущих пластин на контактной площадке АА1 длиной С выделены две характерные области, имеющие разную морфологию поверхностей. На этих участках контактной площадки реали-зуются пластический С1 и упругий С2 контакты (рис. 7). На участке пластического контакта С1 во всем диапазоне скоростей резания отсутст-вуют следы внешнего трения со стружкой. Од-нако именно на этом участке зафиксированы очаги первоначального разрушения режущих пластин в виде кратеров. Как видно из микро-фотографии поверхности этого участка, уже че-рез 60 с после начала работы на этом участке появляются эксплуатационные дефекты. На участке упругого контакта С2 аналогичных де-фектов не выявлено, но обнаружены направ-ленные следы абразивного воздействия на по-верхность керамической режущей пластины и в области локального разрушения. Происхожде-ние этих областей может быть связано с воздей-ствием на поверхность керамической режущей пластины «частиц износа», которые выносятся из зоны резания перемещающейся стружкой керамической режущей пластины и в области

локального разрушения. Происхождение этих областей может быть связано с воздействием на поверхность керамической режущей пластины «частиц износа», которые выносятся из зоны резания перемещающейся стружкой.

С увеличением скорости резания длины пол-ного С и пластического С1 участков контактных площадок на передней поверхности керамиче-ских режущих пластин уменьшаются в среднем на 20…25 % (рис. 8). Наибольшие значения длин С и С1 во всем диапазоне скоростей реза-ния имеют пластины ВК6, а наименьшие – пла-стины ВО13, причем разница в длинах контакт-ных площадок у разных режущих пластин уменьшается при увеличении скорости резания.

Одновременно с уменьшением длины полно-го С и пластического С1 участков уменьшаются составляющие Рх, Ру и Рz силы резания (рис. 9). Наименьшие значения Рх, Ру и Рz зафиксирова-ны для режущей пластины ВО13, наибольшие – для пластины ВК6, а пластины ВОК71 имеют средние значения составляющих силы резания. При этом значения подачи при резании практи-чески не влияют на характер этих зависимостей. Выявленная зависимость находится в хорошей корреляции с коэффициентом теплопроводно-сти инструментального материала.

Для расчета составляющих силы резания по-лучены следующие зависимости: Рz = А1v

В, Ру = А2v

В, Рх = А3vВ, где А1, А2, А3 и В –

коэффициенты, значения которых приведены в табл. 3. Анализ этих коэффициентов показыва-ет, что их наименьшие значения характерны для режущей пластины ВО13, а наибольшие – пла-стины ВК6. При точении чугуна СЧ32 режущи-ми пластинами ВО13 и ВОК71 значения Рх, Ру и Рz заметно уменьшаются до скоростей резания v = 600 м/мин, а затем практически стабилизи-руются на определенном уровне. Изменение подачи и глубины резания не оказывает влия-ния на характер этих зависимостей. Уменьше-ние твердости обрабатываемого чугуна приво-дит к снижению составляющих силы резания.

Таблица 3

Коэффициент ВК6 ВОК71 ВО13

А1 / А2 / А3 2033 / 1423 / 610 1552 / 1009 / 404 1326 / 865 / 357

В – 0,0547 – 0,0231 – 0,0227



Выявлено значительное влияние скорости резания на амплитуду динамической состав-ляющей ∆Р силы резания. Например, при точе-нии стали 40Х резкое увеличение ∆Р происхо-дит при v > 500 м/мин (s = 0,3 мм/об, t = 1 мм), а ее наибольшие значения зафиксированы при v = 750 м/мин. В этих условиях она увеличива-ется приблизительно в 5 раз по сравнению с ∆Р при v = 250 м/мин. Уменьшение подачи до s = 0,15 мм/об приводит к снижению динамиче-ской составляющей ∆Р силы резания практиче-ски в 3 раза.

В результате изнашивания режущих пластин ВО13 и ВОК71 составляющие силы резания при точении стали 40Х и чугуна СЧ32 возрастают. Например, увеличение фаски износа на режу-щей пластине ВОК71 до hз = 0,5 мм при точе-нии стали 40Х (v = 500 м/мин, s = 0,3 мм/об, t = 1 мм) приводит к увеличению составляющих Ру, Рх и Рz силы резания на 50…150 % и умень-шению ее динамической составляющей ∆Р на 30 %. Затупление режущей пластины ВОК71 неоднозначно влияет на силу резания при точе-нии сплава М-НП. При точении с v = 15 м/мин увеличение фаски износа задней поверхности режущей пластины практически не изменяет силу резания, а при точении с v > 30 м/мин ре-жущими пластинами с фаской износа hз = 0,5 мм задней поверхности сила резания увеличивается в 2 раза по сравнению с остроза-точенными инструментами. При дальнейшем увеличении скорости резания эта тенденция со-храняется.

Анализ результатов исследований контакт-ных площадок и составляющих силы резания показал, что степень влияния скорости резания на уменьшение длин контактных площадок вы-ше, чем на уменьшение составляющих силы ре-зания Рх, Ру и Рz. В результате увеличение ско-рости резания приводит к повышению удельной силовой нагрузки Руд на контактные площадки керамических режущих пластин (рис. 10). Оче-видно, что это приводит к увеличению механи-ческой напряженности режущих пластин, при-чем свойства керамики оказывают значительное влияние на ее уровень.

Выводы 1. Исследования, выполненные с использо-

ванием разработанной методики изучения кон-

Рис. 8. Влияние скорости резания на длины пол-ного С и пластического С1 участков контакта стружки с передней поверхностью режущей пла-стины ВК6 (кривая 1), ВОК71 (кривая 2) и ВО13 (кривая 3) при точении стали 40Х (s = 0,3 мм/об, t = 1 мм)

Рис. 9. Влияние скорости резания на составляю-щие силы резания при точении стали 40Х (s = 0,3 мм/об, t = 1 мм) инструментами с пласти-нами из ВК6 (кривая 1), ВОК71 (кривая 2) и ВО13 (кривая 3)

Рис. 10. Влияние скорости резания на удельную силовую нагрузку на режущие пластины ВК6 (кривая 1), ВОК71 (кривая 2) и ВО13 (кривая 3) при точении стали 40Х (s = 0,3 мм/об, t = 1 мм)



тактных процессов при высокоскоростном ре-зании, позволили связать процесс стружкообра-зования и характер контактного взаимодействия в системе «пластина–деталь–стружка» с усло-виями силового нагружения керамических ре-жущих пластин.

2. На основе экспериментально выявленной взаимосвязи скорости резания и свойств кера-мических материалов с условиями силового на-гружения режущих пластин определена воз-можность управления их напряженным состоя-нием и эксплуатационными показателями.


1. Инструмент для высокопроизводительного и эко-логически чистого резания / В.Н. Андреев, Г.В. Боров-ский, С.Н. Григорьев и др. (Библиотека инструменталь-щика). М.: Машиностроение, 2010. 480 с.

2. Кузин В.В. Исследование процесса высокоскоро-стного резания керамическими инструментами // Вестник машиностроения. 2004. № 3.

3. Инструментальное обеспечение высокоскорост-ной обработки резанием / В.В. Кузин, С.Ю. Федоров, М.Ю.Федоров и др. // Вестник машиностроения. 2005. № 9.

4. Верещака А.С., Верещака А.А. Функциональные покрытия для режущего инструмента // Упрочняющие технологии и покрытия. 2010. № 6. С. 28-37.

5. Кузин В.В. Тепловое состояние керамических ре-жущих инструментов при высокоскоростной обработке резанием // Вестник машиностроения. 2004. № 9.

6. Григорьев С.Н., Волосова М.А. Технология ком-бинированного поверхностного упрочнения режущего инструмента из оксидно-карбидной керамики // Вестник машиностроения. 2005. № 9. С. 32-36.

7. Григорьев С.Н., Волосова М.А., Климов В.Н. Модификация поверхности режущего инструмента из быстрорежущей стали путем вакуумно-плазменной обра-ботки // Физика и химия обработки материалов. 2005. № 5. С. 11-18.

8. Гурин В.Д., Григорьев С.Н., Синопальников В.А. Особенности контактных явлений на передней по-верхности инструмента с износостойким покрытием при прерывистом резании // Упрочняющие технологии и по-крытия. 2007. № 7. С. 45-51.

9. Волосова М.А., Григорьев С.Н. Технологические принципы осаждения износостойких нанопокрытий для применения в инструментальном производстве // Упроч-няющие технологии и покрытия. 2010. № 6. С. 37-42.

10. Григорьев С.Н., Мельник Ю.А., Метель А.С., Панин В.В., Прудников В.В. Компактный источник пара материала проводящей мишени, распыляемой ионами с энергией 3 кЭв при давлении 0.05 Па // Приборы и тех-ника эксперимента. 2009. № 5. С. 127-133.

Работа выполнена на кафедре «Технологическое проектирование» МГТУ «Станкин»

Кузин Валерий Викторович – д-р техн. наук профессор, заведующий кафедрой. [email protected] Федоров С.Ю. – старший преподаватель. Федоров М.Ю.– старший преподаватель. Kuzin V.V. – head of chair «Technological designing» MSTU «Stankin», dr. sci, tech., professor. [email protected] Fedorov S.J. – the lecturer of chair «Technological designing» MSTU «Stankin». Fedorov M.J. – the lecturer of chair «Technological designing» MSTU «Stankin»

УДК 621.81

М.Г. Косов

M.G. Kosov

Структуризация информации при проектировании машин

Structuring information for designing of machines Концепция структуризации состоит в применении дискретной модели технологической машины, учиты-

вающей характер геометрических, силовых и энергетических связей между ее деталями и узлами. Связи пред-ставлены в модели набором нетвердотельных расчетных макроэлементов объемного, поверхностного и прово-лочного типов. Это дает возможность описать связи между множеством геометрических и физико-механических характеристик расчетных макроэлементов и точностными, прочностными и жесткостными параметрами технологической машины.



The concept of structuring is to use a discrete model of technological machine that takes into account the nature of geometry, power and energy links between its parts and nodes. The latter are represented in the model set nonrigid calcu-lated macro-volume, surface and wire types. This makes it possible to describe the relationship between a set of geomet-ric and physical-mechanical characteristics of the settlement of macro and accuracy, strength and rigidity parameters of the technological machine.

Ключевые слова: технологическая машина, структуризация информации, объемные макроэлементы.

Key words: technological machine, the structuring of information, three-dimensional macro.

Повышение эффективности конструкторско-технологической подготовки производства при комплексном проектировании технологических машин (ТМ) потребовало разработки новой концепции структуризации информации - гео-метрической, жесткостной, прочностной и дру-гой, описывающей свойства ТМ. Концепция по-зволяет на каждом этапе жизненного цикла ТМ анализировать ее состояние и оценивать соот-ветствие служебному назначению.

Новизна концепции состоит в применении дискретной модели ТМ, учитывающей характер геометрических, силовых и энергетических свя-зей между деталями и узлами. Связи представ-лены в модели набором нетвердотельных рас-четных макроэлементов объемного, поверхно-стного и проволочного типов. Это дает возмож-ность описать связи между множеством геомет-рических и физико-механических характеристик расчетных макроэлементов и точностными, прочностными и жесткостными параметрами ТМ.

Суть концепции состоит в следующем [1]. Технические характеристики ТМ целесообразно рассматривать с точки зрения силового взаимо-действия ее деталей и узлов, при этом следует учитывать также характер приложения нагрузок при приведении деталей в движение и ограни-чении движения. При передаче сил или энергии формируется цепь из чередующихся рабочих объемов и поверхностей, т.е. между двумя смежными поверхностями различных объемов возникает силовая связь.

Разработана классификация рабочих объемов и контактов (граничных связей) между ними. С учетом того, что в машиностроении все большее применение находят детали с покрытиями, а также оболочечные и балочные конструкции, выделено три типа рабочих объемов: трехмер-ные, поверхностные и проволочные (возможно их сочетание). В наличии поверхностных и про-

волочных объемов состоит отличие предложен-ной классификации от известных. Объемы рас-сматриваются как абсолютно жесткие, упругие, упругопластические и т.д.

Приняты следующие типы контактов: - геометрическая связь, объединяющая два

объема; - связь с наполнителем (клеевая); - контакт поверхностей без учета сил трения; - фрикционный контакт; - контакт с промежуточным телом или сма-

зочным материалом; - бесконтактная связь между объемами по-

средством создаваемых ими полей. Свойства комбинаций объемов и граничных

связей определяют свойства ТМ. Для отображения трехмерной геометриче-

ской информации объемы обычно аппроксими-руют набором конструктивных твердотельных макроэлементов объемного, поверхностного и проволочного типов. Однако такой набор не по-зволяет описать физико-механические свойства объемов и характер контакта, поэтому прихо-дится отказаться от свойства твердотельности макроэлементов (абсолютной жесткости) и при-дать им упругие, прочностные и другие свойст-ва. Это достигается благодаря аппроксимации объемов наборами поверхностных, объемных и проволочных конечных элементов (КЭ). В ре-зультате приходим к новому понятию объема – расчетному макроэлементу, которому приданы различные физико-механические и геометриче-ские свойства. Подобное представление позво-ляет решать задачи прогнозирования свойств ТМ как в статической, так и динамической по-становке.

Принятая иерархическая структура ТМ – узел – деталь – объем – КЭ описывается графами, отображающими рассматриваемый узел и ха-рактер связей между контактирующими поверх-ностями. Каждому объекту соответствует вер-



шина графа, а любой связи между объектами одного уровня иерархии соответствует ребро.

Объемам, описываемым КЭ различного типа, придаются физико-механические свойства, со-ответствующие решаемой задаче, с помощью метода конечных элементов в форме перемеще-ний. Информация, относящаяся к объемному расчетному макроэлементу, в общем виде со-держит:

- код объема, его тип; - данные о положении локальной системы

координат относительно глобальной; - геометрические размеры и их точностные

характеристики; - физико-механические свойства материала; - типы КЭ; - коэффициенты демпфирования и т.д. Информацию, относящуюся к дугам графа,

составляют исходя из типов решаемых контакт-ных задач и их моделей. Для решения контакт-ных задач также используют метод КЭ. В этом случае дуги графа отражают следующую ин-формацию:

- код и характер контакта; - коды контактирующих поверхностей; - случайные характеристики, описывающие

отклонения формы и погрешности положения поверхностей стыка;

- типы поверхностных КЭ; - зазоры (натяги); - коэффициенты постели, контактной тепло-

проводности, демпфирования и т.д. Кроме применения методов КЭ в форме пе-

ремещений, для описания напряженно-деформированного состояния объемов разрабо-тан модифицированный метод КЭ, названный методом отклика [2]. Метод целесообразно применять для решения геометрически и физи-чески нелинейных задач. При его использова-нии разрешающая система уравнений строится на базе метода планирования экспериментов следующим образом.

На основании априорных сведений о матема-тической зависимости между перемещениями в узлах КЭ сетки и нагрузками, прикладываемы-ми к ним, формируются математическая модель (функция отклика), глобальная матрица плани-рования экспериментов и матрица уровней зна-чений перемещений. По заданным планам и пе-

ремещениям определяют нагрузки в узлах, вы-зывающие указанные перемещения, и на основе метода наименьших квадратов рассчитывают коэффициенты аппроксимирующих полиномов. Затем решается обратная задача : по заданным нагрузкам и полученным системам уравнений определяют искомые перемещения.

Применение конечно-элементной процедуры, опирающейся на положения теории планирова-ния экспериментов, потребовало обосновать выбор математических моделей и необходи-мость разработки алгоритмов и программ авто-матизированного составления ортогональных планов любой размерности.

Анализ технологических контактных задач, возникающих, например, при изучении базиро-вания заготовок, изнашивания поверхностей и т.д., показал их существенное отличие от так называемых классических контактных задач. В реальных условиях в контакте участвует не-сколько объемов конечных размеров с различ-ной конфигурацией и свойствами. Исходными данными задачи являются:

- геометрические, упругие и силовые пара-метры; данные о рельефе поверхностей;

- параметры, входящие в расчетную схему (например, отклонения формы и положения ба-зовых поверхностей, шероховатость и волни-стость);

- величина нагрузок, направления их дейст-вия и координаты точек приложения;

- физико-механические характеристики ма-териала;

- параметры границ областей контакта; - различные ограничения, представленные в

виде краевых и граничных условий. Наиболее ярко контакт объемов конечных

размеров проявляется при взаимодействии: - поверхностей заготовки с установочными

базами приспособления; - хвостовиков инструментальных оправок с

соответствующими гнездами; - двух шероховатых поверхностей (с нане-

сенными на них покрытиями), испытывающих сжимающие и сдвигающие нагрузки;

- при упругогидродинамическом взаимодей-ствии деталей.

В последнем случае необходимо учитывать (как случайные параметры) вязкость масла, дав-



ление, температуру, местную деформацию дета-лей, форму зазоров, образующих масляную пленку.

Технологические контактные задачи можно отнести к новому классу задач, решаемых мето-дами машинных имитационных эксперимен-тов - к имитационным контактным задачам [3].

В такой задаче рассматривается взаимодейст-вие нескольких упругих тел. При этом заданы:

- геометрические образы тел; - контуры их сопрягаемых поверхностей с

учетом отклонений формы и положения, а также состояния рельефа;

- главный вектор и главный момент, прижи-мающие тела друг к другу.

До приложения внешней нагрузки тела кон-тактируют между собой в нескольких точках или по областям, которые заранее известны. Требуется определить границы областей кон-такта при нагружении тел, а также установить законы распределения нормальных и касатель-ных контактных давлений.

Как пример решения имитационной контакт-ной задачи, предложена новая модель оценки контактной жесткости и износа реальных шеро-ховатых поверхностей, взаимодействующих между собой и находящихся под действием сжимающей и касательной нагрузок [4, 5]. От-личительной особенностью модели является то, что рассматривается реальный рельеф поверх-ности, определенный в результате профиломет-рирования или имитационного моделирования, а не заменяющие его выступы в форме стерж-ней, пирамид, сфер, параболоидов и эллипсои-дов. Для решения имитационных контактных задач создано программное обеспечение.

Разработанная концепция использовалась при моделировании точности технологического оборудования, в процессе которого кроме гео-метрических факторов учитывались собствен-

ные и контактные деформации узлов и деталей, составляющих звенья размерной цепи [2].

Использование модели оценки реальной ше-роховатости позволяет прогнозировать на этапе проектирования ТМ не только возможное изме-нение ее технических параметров в результате износа соединений, но и влияние некоторых факторов, в частности износа и трения, на ок-ружающую среду. Это, в свою очередь, позво-лило выделить одно из научных направлений в экологии – трибоэкологию. Как научная и тех-ническая дисциплина трибоэкология изучает взаимодействие поверхностей при их относи-тельном движении, условия образования и ха-рактер производственных отходов, возникаю-щих при действии сил трения, а также меры за-щиты окружающей среды [6].


1. Косов М.Г., Вяткин Г.П., Арутюнян А.С., Толкачева И.М. Структуризация геометрической и прочностной информации / СТИН, 1997. №12. С. 14-16.

2. Косов М.Г., Кутин А.А., Саакян Р.В., Чер-вяков Л.М. Моделирование точности при проекти-ровании технологических машин. М.: МГТУ «Стан-кин», 1998. 104 с.

3. Косов М.Г., Саакян Р.В. Имитационное мо-делирование контакта сопрягаемых поверхностей при расчете точности технологического оборудова-ния // СТИН, 1997, № 9. 7-10 С.

4. Косов М.Г., Степанов А.В. Моделирование рельефа шероховатости в стыках деталей станков // СТИН, 1998, № 9. С.7-10.

5. Косов М.Г, Тимашев С.А. Моделирование износа сопрягаемых поверхностей / Расчеты элемен-тов конструкции на прочность и жесткость: Межву-зовский сборник научных трудов. М.: «Станкин», 1985. С.106-114.

6. Косов М.Г. Трибоэкология/ Труды междуна-родной конференции ПРОТЭК. М.: МГТУ «Стан-кин», 1998. 183 с.

Косов Михаил Георгиевич – д-р техн. наук профессор, заведующий кафедрой «Основы конструи-рования машин». 8(499)972-95-84 8(499)972-94-72 Kosov Michail Georgievich – doctor of scince technology, the professor, the manager of char «Bottom of designing of machines» MSTU «Stankin». 8(499)972-95-84 8(499)972-94-72



УДК 658.382

Л.Э. Шварцбург

L.E. Shvartsburg

Анализ энергетической безопасности технологических процессов

Analysis of the energy safety of technological process

Несмотря на многообразие машиностроительных технологий формообразования, их анализ, с точки зрения безопасности, следует осуществлять на основе энергетического подхода. Показаны алгоритмы формирования автоматических систем уменьшения опасностей и методы обеспечения снижения энергоемкости технологиче-ских процессов.

This paper shows that, despite the variety of engineering technologies shaping and their analysis in terms of safety should be based on the energy approach, also shows the formation of algorithms of automatic systems to reduce hazards and methods of ensuring energy consumption.

Ключевые слова: технологический процесс, безопасность, автоматизация, энергоемкость, рабочая зона,

отходы.

Key words: technological process, safety, automatization, energy consumption, work area, waste.

На кафедре «Инженерная экология и безо-

пасность жизнедеятельности» на протяжении ряда лет проводятся работы, направленные на обеспечение безопасности машиностроитель-ных технологических процессов формообразо-вания. Эти работы идут по четырем основным научным направлениям:

- автоматизация обеспечения показателей безопасности технологических процессов;

- моделирование технологических процессов с учетом показателей безопасности;

- исследование реальных условий труда, причин возникновения опасностей в рабочей зоне, распространения этих опасностей и защи-та от них;

- снижение энергоемкости технологических процессов.

Инженерное обеспечение безопасности тех-нологических процессов и производств является основой создания конкурентоспособной маши-ностроительной продукции. Действительно, техника, технология, средства автоматизации, средства контроля и управления достигли уров-ня, позволяющего обеспечить технические и экономические характеристики процессов и производств, в значительной степени удовле-

творяющие требованиям потребителей. И в этой связи на первый план выходят характеристики, определяющие воздействие технологических процессов и производств на окружающую среду и человека, а также безопасность и комфорт-ность труда, что полностью соответствует тре-бованиям как международных, так и националь-ных нормативных и правовых документов.

Рассмотрим важнейшую область хозяйствен-ной деятельности человека – машиностроитель-ные технологии формообразования.

Машиностроительные технологии формооб-разования имеют ряд особенностей, отличаю-щих их от других машиностроительных техно-логий (рис.1):

● многообразие видов и типов технологий и оборудования, на которых они реализуются – технологии обработки резанием (точение, шли-фование, фрезерования и др.), давлением, лить-ем, электротехнические методы обработки; то-карные, фрезерные, шлифовальные, электроэро-зионные станки, кузнечно-прессовое и литейное оборудование и многие другие станки и обору-дование для реализации технологий формообра-зования;



Рис.1. Особенности ма-шиностроительных тех-нологий формообразо-вания

● сверхширокий диапазон изменения пара-

метров технологических процессов, например, скорости резания, скорости подачи, глубина ре-зания и др. Так, диапазон регулирования скоро-стей подач при реализации современных техно-логий формообразования должен достигать ве-личин 10000:1 (и даже 100000:1);

● изменения параметров должны реализовы-ваться с высокой точностью на всем диапазоне. Погрешность изготовления деталей часто долж-на достигать микрометровых и даже наномет-ровых величин;

Высокая точность должна обеспечиваться не только в условиях сверхширокого диапазона изменения параметров технологических процес-сов, но и в условиях проявления существенных статических и динамических возмущений при их реализации. Возникновение этих возмуще-ний обусловлено тем, что производственная среда, в которой реализуются машинострои-тельные технологии формообразования, как правило, не обеспечена защитой от изменений температуры, влажности, вибраций и других факторов. Кроме того, возмущения возникают из-за колебаний припуска, затупления инстру-мента, загрязнения масел, износа подвижных элементов и т.п. Особенно сильно эти причины проявляются на низких и инфранизких скоро-стях, когда инерционность систем практически

не проявляется. Наличие этих возмущений обу-славливает четвертую особенность машино-строительных технологий формообразования;

● единство подхода к обеспечению безопас-ности производственной среды при вышепере-численных особенностях реализуемых в ней машиностроительных технологиях формообра-зования, что возможно посредством энергетиче-ского анализа.

Сущность энергетического подхода к анализу безопасности поясним на примере лезвийной обработки материалов. В этом случае (рис.2) для реализации технологического процесса ре-зания в зону обработки должна поступить энер-гия, определяемая мощностью Р3. Эта мощность должна превышать мощность резания Р4, опре-деляемую параметрами технологического про-цесса и характеристиками материала заготовки и режущего инструмента. Соотношение P3>Р4 определяется обязательными потерями мощно-сти в зоне резания ∆Р4, обусловленным наличи-ем трения в системе «инструмент – заготовка», т.е.

P3 = P4 + ∆P4.

Энергия, поступающая в производственную среду для реализации технологических процес-сов, является электрической энергией и харак-



Рис. 2. Сущность энергетического подхода

теризуется полной мощностью S. Эта энергия, характеризуемая мощностью Р, поступает в преобразователь энергии, которым при лезвий-ной обработке является электродвигатель стан-ка, преобразующий электрическую энергию в механическую. При передаче энергии в элек-тромеханический преобразователь часть ее ∆Р1 теряется в первую очередь на нагрев проводов транспортной сети, на формирование магнит-ных потерь и др., т.е.

P = P1 + ∆P1.

Преобразование электрической энергии в механическую, которое осуществляется в элек-тромеханическом преобразователе (электродви-гателе), также осуществляется в условиях про-явления потерь энергии, определяемыми поте-рями мощности ∆Р2 и обусловленными потеря-ми на нагрев проводов в преобразователе (поте-ри в меди) и потерями на перемагничивание сердечника (потери в стали). Первые потери яв-ляются переменными, так как они зависят от величины тока в обмотках двигателя (от момен-та на его валу) а вторые - постоянными. Таким образом,

P1 = P2 + ∆P2.

Передача механической энергии, характери-зуемой мощностью P2, от вала двигателя в зону обработки осуществляется посредством кинема-тики станка. Несмотря на тенденцию сокраще-ния протяженности кинематических цепей стан-ка и передачи её функций системам управления [1], значение этих цепей в энергетическом ана-лизе остается существенным. Объясняется это наличием существенного трения в подвижных

элементах станка и упругостью их элементов. Значение трения столь велико, что возникла специфическая область знания – трибология.

Таким образом, при передаче механической энергии в зону обработки возникают потери ∆Р3, т.е.

P2 = P3 + ∆P3.

В этом случае баланс активной мощности при реализации машиностроительных техноло-гий формообразования определяется выражени-ем

P = P4 + ∆P1+ ∆P2+ ∆P3+ ∆P4.

Как следует из уравнения баланса передачи, преобразование энергии в зону обработки как с электрической, так и с механической стороны сопровождается потерями мощности ∆Рi на ка-ждом i-м этапе преобразования и передачи энер-гии. Именно эти потери определяют экономиче-ские показатели машиностроительных техноло-гий формообразования через их КПД, но и, что более важно, социальные показатели этих тех-нологий. Действительно, именно потери энер-гии при передаче в зону обработки формируют электромагнитные отходы – преобразование электрической энергии в электромагнитную; тепловые отходы – преобразование механиче-ской энергии в тепловую; химические загрязне-ния – преобразование механической энергии в химическую (через тепловые преобразования); шумовые и вибрационные отходы – преобразо-вание механической энергии в звуковую, меха-ническую и т.п. Все это приводит к загрязнению рабочей зоны, возникновению опасных и вред-ных производственных факторов при реа-



лизациях машиностроительных технологий формообразования, загрязнениях атмосферы, гидросферы и литосферы твердыми, жидкими, газообразными и энергетическими отходами (рис.3). Как следствие, ухудшаются условия жизни и труда, комфортность, возникают нару-шения здоровья населения, профессиональные заболевания работников, средняя продолжи-тельность жизни не увеличивается.

В этой связи обеспечение безопасности про-изводственной среды непосредственно связано с реализацией целевой функции Ц = ∆Рi → min.

Целевая функция реализуется инженером по безопасности или инженером-экологом в тесном контакте со специалистами других профилей (инженером-конструктором, инженером-техно-логом, инженером по автоматизации и другими специалистами). Именно содружество специа-листов разных профилей в обеспечении безо-пасности производственной среды позволяет реализовать основной принцип обеспечения безопасности – устранение опасностей для че-ловека и окружающей среды непосредственно в источниках возникновения. Обеспечивается это через безопасно ориентированные конструиро-вание, технологии и средства автоматизации.

С учетом особенностей машиностроительных технологий формообразования, важнейшим на-правлением обеспечения безопасности произ-водственной среды и реализации целевой функ-ции является автоматизация обеспечения пока-зателей безопасности машиностроительных технологических процессов формообразования, обеспечивающая минимизацию как отдельного вида отходов, так и их совокупности, т.е. мини-мизацию ∆Рi.

Автоматизацию обеспечения показателей безопасности предпочтительней осуществлять, основываясь на имеющихся в оборудовании средствах автоматизации и механизации техно-логических процессов [2 - 4]. Как правило, это электроприводы постоянного или переменного тока подчиненного регулирования или системы разомкнутого контакторного управления. При этом целесообразно использовать для автомати-ческого управления традиционные для этих электроприводов управляемые параметры, ко-торыми являются, в первую очередь, потреб-ляемый ток (момент) и скорость.

Рис. 3. Формирование опасностей производствен-ной среды: Рэ – энергетические отходы; Рт – твердые отходы;Рж – жидкие отходы; Рг – газообразные отходы

Упрощенный алгоритм построения автома-тической системы рассмотрим на примере управления концентрацией С гексана в зоне об-работки при термодеструкции СОЖ.

Термодеструкция СОЖ определяет газооб-разные отходы в рабочей зоне станка и возника-ет за счет преобразования тепловой энергии в зоне резания в химическую. Тепловая энергия в зоне резания возникает из-за трения в системе «инструмент-заготовка» и внутреннего трения в заготовке, возникающего при съеме стружки, т.е. определяется потерями энергии ∆Р4. Вместе с тем температура в зоне резания зависит от скорости подачи – традиционного управляемого параметра регулируемых электроприводов под-чиненного регулирования. Таким образом, ско-рость подачи определяет температуру в зоне ре-зания, а температура в зоне резания – концен-трацию гексана в рабочей зоне, возникающей за счет термодеструкции СОЖ. Это означает, что концентрацией гексана в рабочей зоне можно автоматически управлять изменением скорости подачи. В этом случае система автоматического управления станка дополняется контуром об-ратной связи, который включает в себя датчик концентрации гексана и интерфейсную плату, формирующую дополнительный сигнал для ре-гулятора скорости электропривода. Алгоритм функционирования автоматической системы управления концентрацией гексана в рабочей зоне при токарной обработке может быть пред-ставлен структурной схемой, изображенной на рис. 4. На структурной схеме не показан подбор



Рис. 4. Упрощенная структурная схема алгорит-ма функционирования автоматической системы

коэффициентов Кi формирования сигнала для регулятора скорости.

Наличие контура подбора коэффициентов Кi необходимо, так как изменение скорости подачи меняет не только концентрацию гексана в рабо-чей зоне, но и метрологические характеристики обрабатываемой детали: точность обработки, шероховатость поверхности и другие, что недо-пустимо.

Реализация этой структурной схемы позво-лила построить систему автоматического управ-ления как концентрацией гексана в рабочей зоне (уменьшение ∆Р4), так и электромагнитными отходами (∆Р1 и ∆Р2), вибрацией и шумом (уменьшение ∆Р3). Все это позволило средства-ми автоматизации улучшить условия труда, снизить опасности при реализации машино-строительных технологий формообразования и уменьшить потребление энергии за счет умень-шения ее потерь ∆Рi.

Вопросы снижения потребления энергии при реализации машиностроительных технологий формообразования играют важнейшую роль в обеспечении безопасности производственной среды. При этом снижение потребления энергии

обеспечивается посредством снижения ее по-терь ∆Рi при ее передаче и преобразовании, т.е. за счет уменьшения Р. Однако, как следует из рис. 2, уменьшение потребления энергии можно обеспечить и за счет снижения ее реактивной составляющей, определяемой реактивной мощ-ностью Q, которая проявляется на электриче-ской стороне энергетического баланса.

Наличие реактивной составляющей потреб-ляемой мощности объясняется тем, что с элек-тротехнической точки зрения оборудование для реализации машиностроительных технологий формообразования представляет собой RL-нагрузку, т.е. динамическую нагрузку (трансформаторы, электродвигатели, реле раз-ных типов и др.). В этом случае для передачи в зону резания активной мощности Р4, даже при минимальных значения ∆Рi, потребляется суще-ственно большая полная мощность S, опреде-ляемая выражением

2+

2= QPS .

Реактивная составляющая Q потребляемой мощности не участвует в реализации техноло-гического процесса, не преобразовывается в другие виды энергии и не формирует потери мощности. Она лишь увеличивает потребляе-мую мощность S даже при минимальных Р4 и ∆Рi. Физическая сущность этой фиктивной со-ставляющей потребляемой мощности заключа-ется в следующем. Как известно, RL-нагрузка, которой является оборудование для реализации машиностроительных технологий формообразо-вания, формирует сдвиг по фазе φ между векто-рами тока I, потребляемого нагрузкой и напря-жением питания, что поясняет векторная диа-грамма (рис. 5).

Для реализации технологического процесса формообразования необходим ток IА, однако реализация этого процесса происходит при су-щественно больших токах I, величина которых определяется фазным углом φ, что приводит к существенному повышению потребляемой электрической энергии. Действительно, если



а)

б)

в)

Рис. 5. Векторная диаграмма RL-нагрузки: а - RL-нагрузка; б - векторная диаграмма;в - треугольник мощности

умножить треугольник токов на величину на-пряжения, то получим треугольник мощностей, из которого следует, что величина потребляе-мой мощности S существенно превышает тре-буемую для реализации технологического про-цесса мощность Р:

cos= PS ,

и чем больше фазный угол, тем больше потреб-ляемый для реализации технологического про-цесса ток I, а значит и мощность S.

Причиной существенной величины фазного угла φ является характерная при реализации машиностроительных технологий формообразо-вания недогрузка электродвигателей в процессе резания.

Действительно, мощность технологических переходов, приведенная к валу электродвигате-ля, из-за их многообразия существенно ниже номинальной мощности электродвигателя. Это обстоятельство усугубляется наличием обяза-тельных холостых ходов, связанных с подводом, отводом и сменой инструмента, сменой режи-мов обработки и т.п. (рис. 6). Недогрузка элек-тродвигателя вызывает существенное увеличе-ние фазового угла, которое может в разы пре-вышать его номинальные значения (рис. 7), а значит увеличить мощность, потребляемую для реализации технологических процессов.

Снижение потребления энергии за счет сни-жения тока, потребляемого при реализации ма-шиностроительных технологий формообразова-ния, возможно лишь за счет уменьшения фазо-вого угла φ. Это может быть обеспечено тремя методами.

● 1. Компенсационный метод. При этом ме-тоде тем или иным способом, например посред-ством компенсации сдвига фаз или посредством управляемых компенсаторов создается с элек-трической стороны компенсационный ток Ik (см. рис. 5), опережающий напряжение на 90о и равный по величине Ip. В этом случае реализа-ция технологического процесса будет осущест-вляться при потребляемом токе IA, а значит и при минимальном потреблении электрической энергии, т.е. при потребляемой мощности S=P, так как при полной компенсации cos φ = 1.

Практическая реализация компенсационного метода существенно затруднена. Объясняется это тем, что время технологического перехода часто мало и имеет тенденцию к дальнейшему уменьшению в связи с широким внедрением высокоскоростных методов обработки. В этой связи применение компенсации сдвига фаз, т.е. создание динамических цепей 2-го порядка, имеющих большие постоянные времени τ при малых временах технологических переходов и циклов обработки изделий, существенно за-труднено.



Рис. 6. Мощность технологических переходов: Рхх - мощность холостого хода; Р1, Р2, … - мощность технологических переходов; Рн - номинальная мощность электродвигателя

Рис. 7. Коэффициент мощности электродвигате-ля: сos φн – номинальный коэффициент мощности;cos φхх – коэффициент модности холостого хода;cos φ1 – коэффициент мощности технологического перехода

● 2. Компенсация на основе эквивалентной за цикл обработки мощности Рэкв (рис. 6):

цt1

2=эквP

ni itiP ,

где i – номер технологического перехода; n – число технологических переходов; Рi – мощность технологического перехода,

приведенная к валу электродвигателя; ti – время технологического перехода; tц - время обработки изделия

(tц = t + t2 + … + tn).

Метод не только не позволяет существенно снизить потребление энергии, но может привес-ти к обратному результату, так как мощности многих технологических переходов могут быть существенно меньше эквивалентной мощности.

● 3. Применение компенсационных тири-сторов. Имеются трудности, обусловленные как постоянной времени цепи управления тиристо-рами, так и необходимостью дополнительного источника или преобразователя тока.

Второй и третий методы снижения потребле-ния энергии за счет уменьшения фазового угла должны быть реализованы на этапе разработки технологических процессов. Действительно, номинальное значение коэффициента мощности достигается тогда, когда мощность технологи-ческого перехода, приведенная к валу электро-двигателя, равна его номинальной мощности (рис. 7). Поэтому на этапе разработки техноло-гического процесса для его реализации необхо-димо подбирать оборудование, номинальная мощность электродвигателя которого равна или несколько меньше мощности технологического перехода, приведенная к валу электродвигателя. Возможность уменьшения мощности электро-двигателя обусловлена тем, что они допускают перегрузку в 1,5-2 раза, при которой коэффици-ент мощности незначительно отличается от его номинального значения. По этой причине воз-можен подбор мощности электродвигателя по эквивалентной мощности технологического процесса.

При другом подходе к обеспечению соответ-ствия мощностей технологического перехода и номинальной необходимо увеличить мощность технологического перехода посредством со-вмещения технологических операций.

Это обеспечивается специальным режущим инструментом и позволяет уменьшить не-догрузку электродвигателя формированием мощности перехода суммой технологических операций. При этом снижается число холостых ходов, мощность которых Рхх существенно меньше номинальной мощности оборудования.

Процессы резания: диагностирование и контроль по состоянию качества…


Аналогичный положительный эффект может быть также обеспечен и искусственным увели-чением нагрузки на валу электродвигателя при снижении мощности резания посредством спе-циальных нагрузочных устройств или подтор-маживающих муфт.


1. Михайлов О.П., Шварцбург Л.Э. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: Справоч-ник-учебник. Т. 2.Ч. II. М.: Машиностроение. 1994.

2. Григорьев С.Н. Экологически чистое вакуумно-плазменное технологическое оборудование для повыше-ния износостойкости инструментов и деталей машин // Безопасность жизнедеятельности. 2006. № 6. С. 5-8.

3. Григорьев С.Н. Современное вакуумно-плазменное оборудование и технологии комбинированно-го упрочнения инструмента и деталей машин // Техноло-гия машиностроения. 2004. № 3. С. 20-26.

4. Маслов А.Р. Применение многооперационных станков в автомобильной промышленности // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. 2006. № 1. С. 23-25.

Шварцбруг Леонид Эфраимович – д-р техн. наук профессор, заведующий кафедрой «Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности». (499) 973-31-89 (499) 972-94-83 [email protected] Shvartsbrug Leonid Efraimovich - dr. sci. tech, professor, head of chair "Engineering ecology and life safety». (499) 973-31-89 (499) 972-94-83 [email protected]

УДК 621.9.08 А.Р. Маслов

A.R. Maslov

Процессы резания: диагностирование и контроль по состоянию качества обработанной поверхности

Cutting processes: diagnosis and control of the quality of the machined surface

Описан один из путей предупреждения параметрических отказов при точении деталей из труднообрабаты-ваемых сплавов. Приведены зависимости параметров шероховатости от управляющих факторов процесса то-чения и их взаимосвязи с параметрами виброакустических сигналов из зоны резания. Предложен алгоритм кон-троля предельного состояния шероховатости обработанной поверхности и прогнозирования возможности дальнейшей обработки по оставшемуся пути резания до команды на смену инструмента.

Here is described one of the ways to prevent parametric failures at turning parts of the hard-alloys. Given the de-pendence of roughness parameters from the control factors of the process of turning and their relationship with parame-ters of vibroacoustic signals from the cutting zone. Proposed the structure of the control algorithm of limit state of sur-face roughness and predicting the possibility of further processing on the rest of the way of cutting up the command to replace the tool.

Ключевые слова: диагностика, контроль, прогнозирование, вибрация, сигнал, алгоритм.

Key words: diagnosis, monitoring, forecasting, chatter, algorithm.



Возможности различных методов обработки для выполнения данного перехода сравнивают по двум показателям:

1) необходимый показатель, определяемый заданным на данный переход качеством обрабо-танной поверхности (точность и шерохова-тость);

2) достаточный показатель, определяемый достигаемой производительностью.

Рис. 1. Зависимость шероховатости обработан-ной поверхности от скорости резания v, м/мин при точении жаропрочного сплава [1]:1 - 45 м/мин; 2 - 50 м/мин; 3 - 60 м/мин; 4 - 55 м/мин; 5 - 40 м/мин

Надежность технологической системы (ТС) в первую очередь характеризуется наработкой на отказ по предельному состоянию качества обра-ботанной поверхности (ПСОКП).

Достижение предельно допустимой величи-ны параметра шероховатости в ряде случаев яв-ляется критерием так называемого параметри-ческого отказа ТС.

Другие виды отказов, связанные с невыпол-нением функций узлами и деталями станка, ин-струментом и другими элементами ТС, получи-ли название функциональных. Функциональные отказы хорошо изучены и разработаны много-численные методы их предупреждения на осно-ве диагностирования и контроля.

В переналаживаемых автоматизированных ТС обеспечение высокой надежности по крите-рию параметрического отказа не получило рас-пространения из-за сложности прямых измере-ний шероховатости в процессе резания. Это свя-зано с многообразием переходов в течение од-ной операции и с невозможностью использова-ния обычно применяемых методов диагности- рования по силовым и тепловым параметрам процесса резания.

Оценка состояния качества об-работанной поверхности (диагно-стирование) и выработка решенияпо управляющему воздействиюна основе прогнозных моделей ипо алгоритмам диагностированияимеющихся баз данных затрудни-тельны. Особенно это проявляется

Виброускорение,

м/с

2

Частота, кГц

Рис. 2. Распределение спектраль-ных максимумов виброускоренийВА-сигналов по октавным поло-сам при первом проходе торцовоготочения сплава ХН77ТЮР на ско-ростях резания v: 1 - 51,8 м/мин; 2 - 35,9 м/мин; 3 - 13,2м/мин. Подача s = 0,10 мм/об,t = 1,0 мм



Рис. 3. Пример корреляционной связи величины отношения амплитуд и величины параметра ше-роховатости при торцовом точении жаропрочно-го сплава

при обработке деталей из вновь создаваемых жаропрочных материалов вследствие сущест-венного снижения их обрабатываемости: из-за неустойчивости процесса резания и ограниче-ний по надежности режущего инструмента ше-роховатость обработанных поверхностей этих деталей часто превышает установленные пределы.

Для пополнения баз данных необходимо вновь устанавливать зависимости параметра шероховатости Ra обработанных поверхностей от управляющих факторов точения деталей из труднообрабатываемых сплавов. Так, при точе-нии деталей из титанового сплава ВТ-9 выявле-ны зависимости Ra от скорости резания, из ко-торых следует, что параметр шероховатости минимален при скорости 55 м/мин (рис.1).

Анализ спектров виброакустических (ВА) сигналов при точении деталей из жаропрочных сплавов позволяет определить эффективные среднеквадратические значения амплитуд ВА-сигналов [2]. Это позволяет использовать значения амплитуд в качестве информативных косвенных признаков состояния качества обра-батываемой поверхности. На рис. 2 видно, что на частотах 1 и 4 кГц отчетливо проявляются спектральные максимумы виброускорений

Рис. 4. Области допустимых решений (ОДР) для управляющих факторов s и Т при назначенных ограничениях параметра шероховатости Rа и амплитуды колебаний A

Рис. 5. Отношение амплитуд к пути резания

именно на тех скоростях резания, когда ско-рость резания близка к оптимальной с точки минимизации параметра шероховатости.

В результате можно найти связь управляю-щих факторов процесса торцового точения де-талей из жаропрочных сплавов с амплитудами ВА-сигналов. Для процесса торцового точения жаропрочного сплава ХН77ТЮР корреляцион-ная связь отношений амплитуды А и параметра шероховатости Ra:

А = 0,8 + 0,698 Ra.



Рис. 6. Алгоритм контроля предельного состояния качества об-работанной поверхности и прогнозирования возможности даль-нейшей обработки следующей детали

Установленная зависимость позволяет определить величину «уставки» - предельно допустимого отношения амплитуд [А] для заданного предельного значения параметра шероховатости [Ra] (рис. 3).

Идентификация по параметру максимальной производитель-ности математических моделей, полученных по результатам полнофакторных экспериментов [3, 4] при точении деталей из труднообрабатываемых сплавов, позволяет определить значения оптимальных управляющих факторов подачи s и времени t до смены инструмента с целью обеспечения максимальной произ-водительности (рис. 4).

В системе диагностирования может быть использована зави-симость информативного диагностического признака: отноше-ние амплитуд ВА-сигнала к пути резания (рис. 5).

Так, для условий торцового точения (оптимальная скоростьv= 52 м/мин и оптимальная по-дача s = 0,084 мм/об) зависи-мость амплитуды А к пути реза-ния Lрез:

А = 0,587 + 1,067 Lрез0,198

.

На основе полученных сведе-ний об информативном косвен-ном признаке может быть разра-ботан алгоритм (рис. 6) контроляпредельного состояния качества обработанной поверхности и прогнозирования возможности дальнейшей обработки по ос-тавшемуся пути резания Lост докоманды на смену инструмента. Данная команда корректирует вычисленное оптимальное (с точки зрения максимальной про-изводительности) время до сме-ны инструмента по фактическо-му времени до окончания обра-ботки детали.


1. Горелов В.А. Разработка ме-тодов и средств эффективного вы-бора режимов резания труднообра-батываемых материалов на основе термосиловых характеристик про-цессов / Дисс. на соиск. учен. сте-пени д-ра техн. наук. М.: МГТУ «Станкин», 2007. 387 c.

2. Завгородний В.И., Козоч-кин М.П., Маслов А.Р., Саби-ров Ф.С. Влияние динамических характеристик инструмента и заготовки на результаты виброакусти-ческого контроля процесса резания.



Справочник. Инженерный журнал, № 2, 2010. c. 54 – 56

3. Власов В.И., Шарипов О.А. Управление фи-зическими процессами: учебное пособие. М.: ИЦ МГТУ «Станкин», 2005. 100 с.

4. Гурин В.Д., Григорьев С.Н., Алешин С.В., Семенов В.А. Исследование силовых параметров при фрезеровании концевыми фрезами для диагно-стирования их состояния // Вестник машинострое-ния. 2005. № 9. С. 19-22.

Маслов Андрей Руффович – д-р техн. наук профессор кафедры «ВТО» МГТУ «Станкин». (499) 972-94-92, [email protected]. Maslov Andrej Ruffovich - doctor of technical sciences professor "WTO". (499) 972-94-92, [email protected].

МАТЕМАТИКА И ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ


УДК 519.6 Л.А. Уварова, К.А. Будный, Е.М. Красикова

L.A. Uvarova, K.A. Budnyi, E.M. Krasikova

Математическое моделирование процессов переноса электромагнитных волн в нелинейных средах

Mathematical modeling of electromagnetic waves propagation in non-linear media Рассматриваются модели распространения электромагнитных волн в системах дисперсных частиц различ-

ных геометрий и агломератов при различных зависимостях диэлектрической проницаемости от электромаг-нитного поля. Получены классы точных решений. Развивается метод получения решений для гетерогенных аг-ломератов произвольной формы.

The models of the electromagnetic waves propagation in systems of dispersion particles of different geometries and agglomerates at different dependences for dielectric permittivity on electromagnetic field are considered. Some exact so-lutions are received. The method of the receiving of solutions for inhomogeneous agglomerates of different form is devel-oped.

Ключевые слова: математическое моделирование электромагнитные волны, нелинейные среды. Key words: mathematical simulation, electromagnetic waves, non-linear media.

Исследованию распространения электромагнитных волн в различных средах с нелинейными свойствами уделяется большое внимание. Это связано как с возникновением в таких средах под воздействием электро-магнитного излучения новых физических явлений, так и с многочисленными техническими приложениями. Рассматриваются самые различные зависимости диэлектрической и магнитной проницаемостей от векторов электрической и магнитной напряжённостей (полиномиальные, с насыщением и др.), а также их величины (положительные, нулевые, отрицательные, см., например, [1, 2]).

Предположим, что электрический и магнитный векторы зависят от времени по гармоническому закону, а также, что магнитная проницаемость является постоянной величиной. Тогда система уравнений для электри-ческого и магнитного векторов, зависящих от координат, имеет следующий вид:

)()3,2,1,3,2,1(2iEiEiHiHiHiEiEiEikiE

; (1)

iEikiEiHiHiHiEiEiEikiH

1)3,2,1,3,2,1(2 ; (2)

0)1( iEik

; (3)

0)( iH

, (4)

где i - номер среды, ni 1 , c

k

; - частота волны, c – скорость света. HE

, - электрический и магнит-

ный векторы соответственно; jkk 1 , 1j , ''' j - комплексная диэлектрическая проницае-мость.

Система (1) – (4) в общем случае является нелинейной и зависит от диэлектрической проницаемости как

функции HE

, . Частные решения такой системы могут быть получены при наложении тех или иных допол-нительных условий. Рассмотрим такие решения.

Математическое моделирование процессов переноса электромагнитных волн…


1. Некоторые точные решения для дисперсных частиц сферической и цилиндрической форм

Предположим, что диэлектрическая проницаемость зависит только от компонент электрического вектора. Поскольку она является функцией искомых решений, то наложим следующее наиболее простое дополни-тельное условие:

0)3,2,1( iEiEiEi . (5)

Тогда получаются решения системы (1) - (5), которые можно разделить на два класса. Класс № 1. Предполагается, что благодаря постановке задачи можно исключить зависимость решений от

той или иной координаты, т.е. можно рассматривать зависимость электрического и магнитного векторов только от двух координат:

),(),,( lxkxiHiHlxkxiEiE

.

В этом случае компоненты электрического вектора выражаются через следующие функции:

31,,;,,1

,1

mlkmlk

mhi

mElxiV

lhilEkxiV

khikE ;

где h – метрические коэффициенты. Функции определяются из следующих уравнений:

,0)()(

lxi

mhlhkh

lxkxi

mhkhlh

kx

.0),1

,1

;(

mhi

lxiV

lhkxiV

khi

Решения для магнитного вектора для 1-го и 2-го классов являются гармоническими функциями. В случае степенной зависимости диэлектрической проницаемости от вектора электрической напряжённости и воз-

можности выразить из уравнения (5) величину 2Eили

2

E

получим формально уравнение Гамильтона для

плоского движения точки: ;ifiWiH (6)

2 2 1 1, , , ;

2 2i i i i i

i i i ik k l l m

p q V VH p q W

h x h x h

где pi и qi - обобщённые импульс и координата соответственно. Правая часть уравнения (6) зависит от выражения (5). Например, для квадратичной зависимости диэлек-

трической проницаемости от электрического вектора функция

.20),0(0,05,0 iEiiiiEii

i

iif

В частности, конкретные выражения для системы коаксиальных цилиндров запишутся так [3]:

),)(()(,25,0,, riFiEiEiWrirEzirqirEirp

),exp()(),(1)(

2)(1)(

1)()( YiCIiCiF



где - параметр нелинейности, )( - собственные значения, )(1),(1 YI - функции Бесселя первого поряд-

ка 1-го и 2-го рода соответственно; zlrkm ,, , Ci –постоянные.

Для системы концентрических сфер имеют место аналогичные решения. Как следует из приведённых выражений, компоненты электрического вектора входят в уравнение (6) асимметрично. Действительно, ком-понент Em зависит только от метрических коэффициентов. Величина асимметрии зависит от закона

)3,2,1( iEiEiEi и геометрии области распространения электромагнитных волн. В общем случае компоненты

электрического вектора могут зависеть от температуры или концентрации в системе, что позволяет рассмот-реть медленное изменение вектора во времени с использованием классического уравнения Гамильтона.

При рассмотрении сферической частицы можно получить следующие выражения:

5,0))1(41(),(cos)1()2/)1(/)(2

2/)1()(1(

mPmriDmriDiE ;

где iD - постоянные, определяемые из краевых условий задачи; )1(

P - присоединённый полином Лежандра;

Z ; - полярный угол; r – радиальная координата.

,5,0)2(,sin,cos iEifiGiiGiEiiGirE

,sin2sincos1sincos iiruiiGiiu

id

iiG

d

iirG

dr

,))(cos)1()((cos)1()2/)1(/)(2

2/)1()(1(1

PPmriDmriD

iGiE

iu

).2/)5(/)(2)2(2/)3()(

1)1)(((cos)1(2

2mriDmmriDmP

iGiE

iu

Класс № 2. Электрический вектор выражается через потенциал iiE

, который, в свою очередь, опре-

деляется из следующего уравнения:

0)33

1,

22

1,

11

1;(

xi

hxi

hxi

hi

.

Например, в случае квадратичной зависимости диэлектрической проницаемости от вектора электрической напряжённости это уравнение принимает следующий вид:

i

ix

i

hxi

hxi

h

2)3

(2

3

12)2

(2

2

12)1

(2

1

1.

(7)

Из уравнения (7) следует, что ограниченные решения такого вида возникают только в нелинейных средах (при параметре нелинейности отличном от нуля). Отметим также, что для прозрачных сред данное уравнение совпадает с уравнением Эйконала. При исследовании процесса распространения электромагнитных волн в гетерогенных средах правая часть (7) полагается зависящей от координат. Профиль волны не будет изме-

няться при переходе из одной среды в другую, если выполняется условие

k

k

i

i

00 . Данное условие позво-

ляет определить частоту , при которой наблюдается эффект.



2. Некоторые точные решения в случае зависимости диэлектрической проницаемости от электрического и магнитного векторов

Как отмечалось выше, в общем случае зависимость диэлектрической проницаемости среды может быть зависимостью как от электрического, так и от магнитного векторов. Это могут быть полиномиальные зави-симости или более сложные. Одна из таких зависимостей была получена в [4]. Зависимость предполагает, что нелинейные уравнения Максвелла являются инвариантными относительно конформной группы C(1,3) по от-ношению к уравнениям, записанным для вакуума. Такая зависимость имеет вид:

5,0)2

0

20(

HEEi

Hii

, (8)

где 0i

- магнитная проницаемость.

В этом случае можно получить некоторые решения при следующих дополнительных условиях:

idii const . (9)

В частности, в системе «куб в кубе» имеет место следующее решение:

,23

1

2,,,),exp()0(),exp()0(idk

kikzyxkrjikHikHrjikEikE

0,5)(0)iH0i/(μ0,5)(0)

iH(0)iE

2(0)iE0i(μ

ωi4ππ

1

2d1d ,

где i - коэффициент проводимости.

Из полученных решений следует, что при выполнении соотношения )0()0(2)0(0 iHiEiEi

величина d оказы-

вается вещественной. Следовательно, при определённом подборе амплитуд электрического и магнитного векторов электромагнитная волна в поглощающей нелинейной среде будет распространяться как в среде без поглощения. В частности, можно рассмотреть ситуацию, когда одна из сред (в которую приходит волна) яв-ляется линейной с заданным вещественным показателем преломления. В этом случае уравнение

2' ))(()( md является уравнением для определения частоты волны, при которой возможна реализация

описанной физической ситуации 'm (исчезновение поглощения в поглощающей среде – эффект Маркуса). Данные решения исследовались также при рассмотрении распространения электромагнитных волн в нели-нейной параллельной трёхслойной структуре. В частности, было показано, что данный эффект уменьшает негативное влияние поглощения на явление оптической бистабильности, что важно, например, для проекти-рования оптических переключателей.

3. Моделирование взаимодействия электромагнитных волн с агломератами

В настоящее время проводятся интенсивные исследования взаимодействия электромагнитного излучения с частицами неправильной геометрической формы, которую обычно имеют природные или промышленные агломераты, с коллективами частиц, с гетерогенными частицами или слоистыми структурами. Основой тео-ретического рассмотрения такого рода систем послужила классическая работа Ми, изданная в 1908 г. В 2008 г. в Германии в Карлсруэ проводилась международная конференция, посвящённая дальнейшему раз-витию методов и математических моделей по указанным направлениям. Наиболее известным в настоящее время является метод T-матрицы, который был предложен Мищенко, а затем развит им с сотрудниками [4]. Идея метода состоит в представлении агломерата совокупностью примитивов – сферических частиц, рассе-янные и поглощённые поля которых определяются согласно теории Ми. Далее рассматривается суперпози-ция этих полей (как внешнего поля, так и поля, рассеянного другими примитивами). Такой метод применим и для гетерогенных агломератов. Поместим такой агломерат в изотропную среду с однородным электромаг-



нитным полем. В этом случае на каждую частицу, лежащую на поверхности агломерата, обращенной к на-правлению падающего поля, помимо внешнего поля среды будут также падать поля, рассеянные внутренни-ми частицами, непосредственно ее окружающими с внутренней стороны агломерата:

1

,m

inc inc scai o j

j

E E E

(10)

где inciE - поле, падающее на i-ю граничную частицу;

incoE - поле среды;

scajE

- рассеянное поле j-й частицы, имеющие следующий вид:

0 0( ) ( ) ,inc i ij i iji mn mn mn i mn mn mn i

mn

E a a RgM kR b b RgN kR

( ) ( ) ,scaj j mn i j mn i

mn

E p M kR q N kR

0 00 ( ) ( ) ,inc i i

mn mn i mn mn imn

E a RgM kR b RgN kR

где 0ia ,

0ib - коэффициенты падающего внешнего поля. Выражения для ( )mn iM kR , ( )mn iRgM kR , ( )mn iN kR , ( )mn iRgN kR , полученные на основе примитива – сферической частицы с постоянными оптическими харак-

теристиками, приведены в [4]. Соответственно для каждой внутренней частицы падающим полем будет яв-ляться суперпозиция полей со стороны частиц, которые окружают уже непосредственно ее:

1,

,l

inc scaj k

k

E E

( ) ( ) ,sca ik ikk mn mn j mn mn j

mn

E a RgM kR b RgN kR

причём соотношение между коэффициентами падающего и рассеянного полей i-й граничной частицы опре-деляется выражением

0

01

,i i ijm

i

i i ijj

p a aT

q b b

а соотношения между аналогичными коэффициентами для внутренней j-й частицы имеют вид

1

j kjli

j kjk

p aT

q b

.

Вычисляя Т-матрицы каждой частицы, в итоге можем получить выражение для Т-матрицы всего агломе-рата, которую затем можно использовать для расчета усредненного поглощенного поля внутри агломерата.

Как отмечалось выше, данный метод разработан для дисперсных частиц произвольной формы с постоян-ными диэлектрической и магнитной проницаемостями. Таким образом, предполагалось решение линейных уравнений Гельмгольца для примитивов и затем получение Т- матрицы для всего агломерата. Однако общий подход получения этой матрицы (и, соответственно, затем определение рассеянного и поглощенного полей) на основе решений для примитивов (одиночных сфер или цилиндров) может быть использован и в нелиней-ном случае. В предыдущих разделах статьи были получены аналитические решения для сфер, цилиндров и кубов при наложении дополнительных условий (5) или (9). Поэтому, если эти условия выполняются для все-го оптически однородного агломерата, который мы разбиваем на примитивы той или иной формы, или для всех частей гетерогенного агломерата (в разных частях которого возможны либо различные значения диэлек-трической и магнитной постоянных, либо различные законы для зависимостей диэлектрической и магнитной проницаемостей от поля), то такие решения могут быть использованы для построения локальных и глобаль-ных Т-матриц. Соответственно можно получить такие частные решения для полей, рассеянных и поглощён-ных агломератами.



Вместе с тем возможны и другие подходы для моделирования распространения электромагнитных волн в рассматриваемых системах сложной формы. Так градиент потенциала на стратифицированных множествах может быть найден на основе методов, развиваемых в монографии [6]. Соответственно для него можно запи-сать:

ikkjjk

Eexh

1

)(1

;

где ki - страт; ikkj 1 указывает на то, что ik 1 присоединён к kj ;

- внешняя нормаль. Данное

выражение совместно с выражением (7) позволяет определить компоненты электрического вектора. Также в качестве фундаментальных решений можно рассматривать решения не для одиночных сфер или цилиндров, а для их пар, решение для которых может быть получено в бисферической и бицилиндрической системах ко-ординат. Работа выполнена на кафедре «Прикладная математика» и поддержана РФФИ (грант № 09-01-

-00292-а).


1. Michalache D., Nazmitdinov R.G., Fedyanin V.K. P-polarized nonlinear surface waves in symmetric layered structures//”Physica Scripta”, V. 29, 1984, pp. 269-275.

2. Ziolkowski R.W. Wave propagation in media having negative permittivity and permeability//”Physical Review E”, V. 64, 2001, 056625.

3. Uvarova L.A. Some exact solutions of non-linear electrodynamics equations//” AIP congress (CD)”, Canberra, 2005.

4. Fushchich V.I., Tsifra I.M. About symmetry of non-linear of electrodynamics equations// “Theor. Mat. Phys.”, V. 64, 1985, С. 41-50.

5. Фущич В.И., Цифра И.М. О симметрии нелинейных уравнений электродинамики // Теоретическая и мате-матическая физика. № 5. 1996. С. 41-50.

6. Покорный Ю.В., Пенкин О.М., Прядиев В.Л., Боровских А.В., Лазарев К.П., Шабров С.А. Дифферен-циальные уравнения на геометрических графах. М.: Физматлит, 2004. 272 с.

Уварова Людмила Александровна – д-р физ.-мат. наук профессор, заведующая кафедрой. (499)972-95-20, [email protected] Будный Кирилл Александрович – аспирант кафедры. (499)972-95-20 Красикова Екатерина Михайловна – канд. физ.-мат. наук, старший преподаватель. (499)972-95-20 Uvarova L.A. – the head of department “Applied Mathematics” MSTU “Stankin”, dr. sci. phys.–math., professor. (499) 972-95-20, [email protected] Budnyi K.A. – postgraduate of department “Applied Mathematics” MSTU “Stankin”. (499) 972-95-20 Krasikova E.M. – the senior lecturer of department “Applied Mathematics” MSTU “Stankin”, cand. phys. – math. sci. (499) 972-95-20.

ИНФОРМАТИКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ


УДК 621.9.06-529:681.3.06 Г.М. Мартинов, Н.В. Козак, Р.А. Нежметдинов, Р.Л. Пушков

G.M. Martinov, N.V. Kozak, R.A. Nezhmetdinov, R.L. Pushkov

Принцип построения распределенной системы ЧПУ с открытой модульной архитектурой

The principle of constructing a distributed NC system with open modular architecture Изложен принцип построения распределенной системы числового программного управления (ЧПУ) с откры-

той модульной архитектурой. Рассмотрена кросс-платформенная реализация ядра и инвариантность компо-новки распределенной системы управления. Раскрыты практические аспекты управления электроавтоматикой в режиме «master-slave» и построения удаленных терминалов системы ЧПУ на базе web-браузера.

The principle of constructing a distributed numerical control system with open modular architecture is described. A cross-platform kernel implementation and invariance of arranging a distributed control system are considered. The prac-tical aspects of controlling PLC systems in master-slave mode and developing a remote CNC terminals based on the Web browser are illustrated.

Ключевые слова: система ЧПУ, модульность, открытость, кросс-платформенность, ядро реального вре-мени, web-терминал, PROFIBUS, PROFINET, SERCOS, CAN, UCSNet.

Key words: CNC systems, open modular architecture, multiplatform systems, real time kernel, web-terminal, HMI, PROFIBUS, PROFINET, SERCOS, CAN, UCSNet.

Введение

Необходимость сокращения зависимости российской промышленности от импортной продукции, декларативная открытость систем управления на рынке и ограниченные поставки на отечественный рынок систем ЧПУ класса «Hi-End» заставляют искать альтернативные решения. Компании ориентированы на массо-вый рынок невысокого ценового диапазона и далеко не всегда обладают ресурсными и кадро-выми возможностями, необходимыми для серь-езных исследовательских работ, что и объясняет отсутствие на рынке отечественных систем ЧПУ класса «Hi-End».

Формирование обоснованной архитектуры системы управления является основополагаю-щим звеном технологического перевооружения, поскольку система управления определяет фун-дамент последующих технологий, использую-щих системы управления.

Кросс-платформенная реализация ядра

Платформонезависимое (кросс-платформен-ное) ядро подразумевает портируемость про-граммного обеспечения системы ЧПУ на разные платформы. Это может быть, например, персо-нальный компьютер промышленного исполне-ния с операционной системой реального време-ни Linux или Windows с расширением RTX или одноплатный компьютер с процессором ARM и операционной системой Windows CE. Кросс-платформенность достигается путем вынесения платформозависимого кода в отдельные биб-лиотеки и создания для него функций оберток, используемых в платформонезависимом коде.

Архитектура компьютерной системы число-вого программного управления технологиче-ским оборудованием (рис. 1) включает терми-нальную часть, работающую в машинном вре-мени (как правило, ОС Windows с платфор-



мой .Net), и ядро, функционирующее в реальном времени (Linux RT).

Файл управляющей программы на языке ISO-7bit или на языке высокого уровня [1] интерпре-тируется, а результат записывается в буфер под-готовленных команд, что позволяет осуществ-лять предосмотр кадров программы и оптими-зировать траекторию движения исполнительных органов [2]. Интерполятор реализует классиче-ские типы интерполяции (линейную, круговую, винтовую) и сплайновые (Akima, кубическую и NURBS сплайны) [3].

В результате интерполяции подготовленных данных формируются управляющие команды для приводов и электроавтоматики [4]. Инфор-мация о ходе выполнения управляющей про-граммы, текущем состоянии приводов и элек-троавтоматики передается в сервер данных для отображения на интерфейсе пользователя. Спе-циальный механизм, заложенный в сервере дан-ных, позволяет оптимизировать трафик обмени-ваемой информации [5].

Открытость архитектуры системы управле-ния сосредоточена в уровнях абстракции, обес-печивающих независимость ядра системы управления от конкретной реализации разде-ляемого уровня:

- абстракция на уровне приводов и электро-автоматики обеспечивает независимость ядра системы управления от интерфейсов связи с кон троллером приводов и электроавтоматики. Кро-ме того, она позволяет использовать один и тот же интерфейс (например, CANopen, Profibus-DP, SERCOS-III или EtherCAT) для контроллера электроавтоматики и контроллеров приводов.

Вне зависимости от происхождения про-граммно-аппаратных средств (покупные изде-лия или продукт оригинального производства), возникает вопрос их интеграции в систему управления, при этом определяющими факто-рами становятся:

- открытость архитектуры системы управле-ния [6] и используемых технологий;

- наличие стандартизированных интерфейсов взаимодействия с драйверами встраиваемых устройств.

Практически все системы ЧПУ выпускаются с панелями управления, но каждый производи-тель использует свое решение. Проблема за-ключается в отсутствии единых подходов и стандартов реализации [7].

- абстракция на уров-не интерпретатора позво-ляет использовать любой язык описания обработки детали для передачи дан-ных в интерполятор;

- абстракция на уров-не канала связи реализу-ется посредством потоко-вой передачи данных и обеспечивает подключе-ние к ядру через сервер данных нескольких тер-минальных клиентов, в том числе и удаленных терминалов, подключен-ных через интернет;

Рис. 1. Архитектурная модель системы ЧПУ



Инвариантность компоновки

Специфика современного управляемого тех-нологического процесса требует распределенно-го функционирования вычислительных компо-нентов, т.е. включения их в общую информа-циионно-вычислительную среду через промыш-ленные сети [8]. Решение заключается в приме-нении принципов открытости и модульности архитектуры, что позволяет компоновать систе-мы ЧПУ под конкретные технологические зада-чи [9].

Заложенное в систему свойство инвариантно-сти позволяет реализовывать комплектацию системы ЧПУ для управления контроллерами приводов по промышленным сетям на базе ин-терфейсов SERCOS (Serial Real-time Communication System), Step/Dir, CanBus или USCNet (протокол разработан в МГТУ «Стан-кин»), а для управления контроллерами элек-троавтоматики - по протоколам RS-232 и RS-485 (рис. 2). Реализованные в системе управле-ния протоколы и подключенное оборудование обозначены сплошными линиями. Протоколы, реализация которых находится в процессе раз-работки, отображены штриховой линией.

Реализованный удаленный терминал на базе одноплатного компьютера, подключенного по

TCP/IP, позволяет оператору следить за про-цессом обработки, используя упрощенный ин-терфейс оператора.

Управление цикловой электро-автоматикой в режиме «Master-Slave»

Применение абстрактного уровня в решении логической задачи в программно-математическом ядре системы ЧПУ позволяет реализовать процессы управления электроавто-матикой (смена инструмента, подача охлаж-дающей жидкости, принудительная уборка стружки и т.д.) независимо от типа подключае-мого оборудования. Модель подключенного к системе ПЛК конфигурирует (меняет) лишь нижний уровень программного обеспечения яд-ра ЧПУ, отвечающий непосредственно за фор-мирование команд контроллеру электроавтома-тики.

Организация распределенного управления электроавтоматикой востребована для крупно-габаритных станков или автоматических линий, где исполнительные органы разнесены в про-странстве, а управление реализуется на основе автономных контроллеров электроавтоматики,

работающих в ре-жиме master-slave(ведущий -ведомый) (рис. 3). Структура распре-деленной системы организована на ба-зе сети Ethernet и работает по прото-колу TCP/IP. Каж-дый автономный элемент системы управления, рабо-тающий в сети, имеет свой уни-кальный IP-адрес.

Рис. 2. Инвариан-тность компоновки многофункциональ-ной системы ЧПУ



Рис. 3. Организация рас-пределенного управления в СЧПУ AxiOma Ctrl

Один из узлов назна-чается «master-устрой-ством», и он отвечает за согласованную работу всех элементов распределенной системы управления. При управлении станком «master-узлом» выступает ядро системы ЧПУ, кото-рое передает управление «slave-устройствам», исхо-дя из логики работы управляющей программы электроавтоматики.

Решение, которое создано на базе разрабаты-ваемого МГТУ «Станкин» совместно с партне-рами ПЛК «Робокон» 1456, использует прото-кол Modbus TCP. Это протокол транспортного уровня, который встраивается в стандартный стек сетевых протоколов и имеет специфициро-ванный формат передаваемой в сети Modbus TCP/IP телеграммы (рис. 4).

Режим управления «master-slave», который демонстрировался на выставке «Оборудование, приборы и инструменты для металлообрабаты-вающей промышленности МЕТАЛЛООБРА-БОТКА–2010», используется для синхрониза-ции работы фрезерного обрабатывающего цен-тра МС-400 (ПТОО АВТОВАЗ), оснащенного с системой ЧПУ «АксиОМА Контрол» (МГТУ «Станкин»), с промышленным роботом ТУР-150 150 (ПТОО АВТОВАЗ и МГТУ «Станкин») че-рез цикловую электроавтоматику.

Удаленное управление на базе web-терминала

Функции удаленного управления системой ЧПУ становятся доступны пользователям ло-кальной или глобальной сети посредством web-браузера, в том числе и с мобильных устройств (рис. 5).

Взаимодействие web-сервера и ядра ЧПУ осуществляется на базе существующего меха-низма коммуникации между терминальной ча-стью и ядром системы управления с использо-ванием протокола TCP/IP.

HTTP протокол обеспечивает доступ удален-ных пользователей системы к web-серверам системы ЧПУ. Механизм взаимодействия реа-лизован с использованием СУБД MySQL. С по-мощью специальных таблиц, отслеживаемых на web-сервере и php-скриптами со стороны

Рис. 4. Структура телеграммы Modbus TCP/IP



Рис. 5. Обобщенная архитектура удаленного web-терминала системы ЧПУ

удаленных пользователей, происходит обмен системными данными и управляющими коман-дами. Таблицы содержат текстовые поля и фла-ги, которые совместно редактируются или счи-тываются участниками интерфейса.

Web-сервер предоставляет страницы web-браузеру однократно, т.е. отсутствует регуляр-ное обновление динамически изменяющихся данных. Применение AJAX-технологии позво-лило в асинхронном режиме изменять данные на web-странице пользователя без ее переза-грузки. Недостаток этого решения заключается в том, что сегодня не все мобильные платформы ее поддерживают.

Пользовательский интерфейс удаленного web-терминала (рис. 6) функционально ограни-чен в сравнении с штатным пультом оператора и реализует только ключевые режимы управле-ния.

Рис. 6. Пользовательский интерфейс удаленного web-терминала




Идея сохранения инвестиций, вложенных в разработку систем управления, наилучшим об-разом воплощается за счет кросс-платформенной реализации ядра. Портируе-мость программного обеспечения системы ЧПУ требует независимой реализации алгоритмов управления от аппаратной платформы и опера-ционной системы посредством использования функций оберток. Инвариантность компоновки на базе модульных решений позволяет компо-новать систему ЧПУ под конкретные техноло-гические задачи в рамках выбранного ценового диапазона. Открытость архитектуры обеспечи-вает работу системы ЧПУ с вновь появляющи-мися протоколами управления следящих приво-дов и контроллеров электроавтоматики. Распре-деленное управление технологическим обору-дованием реализуется посредством использова-ния в системе ЧПУ стандартных сетевых прото-колов, посредством управления цикловой элек-троавтоматикой в режиме «master-slave» и при-менения удаленных терминалов на базе web-браузера. Работа выполнена на кафедре «Компьютер-

ные системы управления» по Госконтракту № П858 на проведение НИР в рамках ФЦП "На-учные и научно-педагогические кадры инноваци-онной России" на 2009—2013 гг.


1. Мартинов Г.М., Обухов А.И., Пушков Р.Л. Принцип построения универсального интерпретато-

ра языка программирования высокого уровня для систем ЧПУ // Мехатроника, автоматизация, управ-ление. 2010. №6. C. 42-50.

2. Мартинов Г.М. Алгоритм опережающего просмотра Look-ahead в современных системах ЧПУ и параметры его настройки // Стружка. 2007. №3. C. 52–54.

3. Мартинов Г.М., Сосонкин В.Л. Проблемы использования сплайновой интерполяции в системах ЧПУ при обработке скульптурных поверхностей // Автоматизация в промышленности. 2006. №11. C. 3-9.

4. Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Архитекто-ника цифровых следящих приводов подач техноло-гических машин // Мехатроника, автоматизация, управление. 2005. №10. C. 24-30.

5. Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Концепция числового программного управления мехатронными системами: построение межмодульной коммуника-ционной среды // Мехатроника, автоматизация, управление. 2000. №6. С. 2-7.

6. Мартинов Г. М., Мартинова Л. И. Совре-менные тенденции в области числового программ-ного управления станочными комплексами // СТИН. 2010. №7. C. 7-10.

7. Мартинов Г.М., Козак Н.В., Нежметдинов Р.А., Любимов А.Б. Специфика построения панелей управления систем ЧПУ по типу универсальных программно-аппаратных компонентов // Автома-тизация и современные технологии. 2010. №7. C. 34-40.

8. Григорьев С.Н., Мартинов Г.М. Перспекти-вы развития распределенных гетерогенных систем ЧПУ децентрализованными производствами // Ав-томатизация в промышленности. 2010. №5. C. 4-8.

9. Мартинов Г. М. Современные тенденции раз-вития компьютерных систем управления технологи-ческого оборудования // Вестник МГТУ "Станкин". 2010. №1. C. 74–79.

Мартинов Георгий Мартинович – д-р техн. наук профессор, заведующий кафедрой. (499) 972-94-40 Козак Николай Владимирович – канд. техн. наук доцент. (499) 972-94-40 [email protected] Нежметдинов Рамиль Амирович – канд. техн. наук доцент. [email protected] Пушков Роман Львович – преподаватель. [email protected]



Martinov George Martinov – chairman, professor of chair, doctor of technical sciences, professor. (499) 972-94-40 Kozak Nikolay Vladimirovich – associate professor of chair, dh. d. (499) 972-94-40 [email protected] Nezhmetdinov Ramil Amirovich - associate professor of chair, ph. d. [email protected] Pushkov Roman Lvovich – senior lecture of chair. [email protected]

УДК 519.7 Ю.М.Соломенцев, С.Е.Чекменев, Е.Б.Фролов, В.В.Крюков

Y.M. Solomentsev, S.E. Chekmenev, E.B. Frolov, V.V. Krukov

О проблемах автоматизации этапов жизненного цикла изделия

Automatization problems of the steps of the life cycle of the product Рассматриваются основные научные направления кафедры «Информационные технологии и вычислительные

системы», реализующие автоматизацию отдельных этапов жизненного цикла изготовления изделия. Дается оценка тенденций развития отечественного станкостроения и прогнозируется участие в этом процессе средств автоматизации технологического проектирования, оперативно-календарного планирования.

The authors focus their attention on the basic areas of the scientific research carried on at the department “Informa-tion Technology and Computing Systems”. First priority is given to the problems of Continuous Acquisition and Life cy-cle Support (CALS). Modern trends in the development of the domestic industrial manufacturing are analyzed and the growing role of the IT technologies in production tooling and short-term planning is envisaged.

Ключевые слова: жизненный цикл изделия, технологическая подготовка производства, система автомати-зированного проектирования технологических процессов, исполнительная производственная система опе-ративно-календарного планирования.

Key words: CALS-technology – Continuous Acquisition and Life cycle Support, Production tooling, System of the automated designing of technological processes, Manufacturing execution systems, Production short-term planning.

Технологическая подготовка производства

На этом этапе требуется спроектировать ком-плект технологической документации на основе информации по конструкции изготавливаемого изделия и требований по его качеству. За время существования кафедры в этом направлении ве-лось несколько разработок, одной из которых является программно-методический комплекс

«ТЕМП». В 1980 г. была создана версия для ЕС ЭВМ, затем в 1985-87 гг. версия для IBM PC в среде MS DOS. Эта версия непрерывно развива-лась за счет накопления данных и знаний. В системе был создан «Предметный макроязык» (SML), позволяющий хранить в библиотеках процедур и таблиц принятия решений системы знания из области автоматизации технологиче-



ского проектирования практически любой сте-пени сложности.

Большой вклад в создание системы сделан доцентом Александром Михайловичем Баси-ным. Он смог доказать, что только путем посте-пенного диалогового наполнения баз данных и баз знаний, адаптации системы к особенностям конкретного предприятия можно достичь суще-ственной эффективности автоматизации техно-логического проектирования.

Именно благодаря изначальной концепции создания системы как комплекса диалоговых инструментальных средств разработчиками совместно с пользователями накоплен сущест-венный опыт автоматизации работ таких спе-циализаций, как механообработка (рис.1), хо-лодная штамповка, сборочные и сборочно-сварочные технологические процессы, покра-ска, обработка пластмасс и т.д.

Базы данных и базы знаний, накопленные в предыдущих версиях системы, конвертируются в последнюю версию и параллельно с этим сама система функционально развивается.

основе формирования проектного решения раз-личной степени. При выполнении проекта по созданию лазерного интерферометра на кафед-ре «Информационные и измерительные систе-мы» технологическая документация по механо-обработке, изготовлению печатных плат и оп-тических изделий была разработана в системе «ТЕМП»

Недавно началось сотрудничество разработ-чиков системы «ТЕМП» с автором теории мо-дульной технологии профессором Б.М. Базро-вым. В системе формируется база данных мо дулей поверхностей и база знаний методик ав-томатизированного технологического проекти-рования, основанных на модульном принципе проектирования технологических процессов, выборе оборудования, подборе инструмента и оснастки. Благодаря этому обстоятельству один из лауреатов Ленинской премии за создание адаптивных систем управления металлорежу-щими станками (в 1972 г.), полученной на ка-федре «Технология машиностроения» в Стан-кине, вновь “вернулся” в родные стены.

Версия 6.1 имеет со-вершенно оригиналь-ную структуру баз данных, принципи-ально отличающуюся от всех предыдущих версий в плане идео-логии функциониро-вания. Концепция хранения документов постепенно переросла в автоматическое формирование ком-плекта технологиче-ской документации на

Рис. 1. Проектирование технологического про-цесса в ПМК ТЕМП



Рис 2. Экранная форма для расчета расписания в Mes-системе «ФОБОС»

В технологической подготовке производства одним из наиболее сложных моментов является решение задачи построения оптимального мар-шрута изготовления деталей, сборочных единиц и изделия в целом с учетом загрузки оборудова-ния, его возможностей и состояния. Эта задача находится на стыке этапов проектирования тех-нологических маршрутов и оперативно-календарного планирования.

Вариант решения такой задачи удалось вне-дрить на предприятиях на основе интеграции двух систем: САПР ТП «ТЕМП» и MES-системы «ФОБОС», но это задача уже следую-щего этапа жизненного цикла изделия.

Планирование производства

MES «ФОБОС» предназначена для оператив-ного планирования, диспетчерского контроля и мониторинга прохождения производственных

заказов. Эти процедуры осуществляются в сис-теме расчетом оптимального производственного расписания и последующего мониторинга его выполнения. В основу расчета и управления производственным расписанием положен мате-матический оптимизационный аппарат, позво-ляющий моделировать 100 сценариев по трем выбранным значениям критериев из 14 возмож-ных (рис.2).

В этой системе ведется детальный анализ возникающих задержек обработки деталей на каждом производственном участке, контролиру-ется их текущий дефицит, а также проводится оперативный анализ производственных затрат (Activity Based Costing) в разрезе как основного технологического оборудования, так и отдель-ных производственных заказов (рис.3).

На сегодняшний день в России система «ФОБОС» является наиболее функционально



Рис. 3. Диаграмма оперативного анализа производственных затрат (Activity Based Costing)

полной реализацией MES. Об этом свидетель-ствуют награды, которых удостоена система на престижных форумах и выставках:

- золотая медаль Всероссийского научно-промышленного форума «Россия единая» (Нижний Новгород, сентябрь 2001 г.);

- золотая медаль Первого Московского ме-ждународного салона инноваций и инвестиций (Москва, март 2001 г.);

- золотая медаль и диплом лауреата кон-курса «Национальная безопасность» Второй международной промышленной ярмарки (Мо-сква, июнь 2003 г.);

- дипломы лауреата международной выстав-ки Softool.

Система «ФОБОС» официально рекомендо-вана ФГУП «РОСОБОРОНЭКСПОРТ» машино-строительным предприятиям для повышения фондоотдачи оборудования и выполнения тре-бований международного стандарта ISO-9000.


1. Соломенцев Ю.М. Задачи МГТУ СТАНКИН в области обеспечения качества образования http://tqm.stankin.ru/arch/n01/07.html

2. Фролов Е.Б., Крюков В.В., Тимофеев Д.Е., Крюков А.В. «Прозрачность производства»: зачем она нужна, и как ее обеспечить средствами ERP и MES систем? // Главный механик. № 8. 2010. С.18-26; № 9. 2010.С.18-26



Работа выполнена на кафедре «Информационные технологии и вычислительные системы».

Соломенцев Юрий Михаилович – член-кор. РАН, д-р техн. наук профессор, Президент МГТУ «Станкин», заведующий кафедрой «Информационные технологии и вычислительные системы». Чекменев Сергей Евгеньевич - д-р техн. наук профессор. Фролов Евгений Борисович – д-р техн. наук профессор. Крюков Василий Викторович - канд.техн.наук доцент. (499) 972-94-86 Solomentsev Yury Mihailovich – president of MSTU “Stankin”, head of dept. «Information technology and computing systems», member of the Russian Academy of Sciences, dr.sci.tech., prof. Chekmenev Sergey Evgenevich - dr.sci.tech., prof. Frolov Evgenie Borisovich - pr.sci.tech., prof. Krukov Vasiliy Victorovich – ph.dr.tech., ass. prof. (499) 972-94-86

УДК 378.147 Б.М. Позднеев, М.В. Сутягин, О.И. Селиванцев

B.M. Pozdneev, M.V. Sutyagin, O.I. Selivancev

Обеспечение гарантий качества электронного обучения на основе стандартов

Guaranteeing the quality of e-learning standards-based Обеспечение гарантий качества электронного обучения рассмотрено с позиций соответствия международ-

ным и национальным стандартам, содержащим требования к технологиям электронного обучения, информаци-онно-образовательным средам и электронным образовательным ресурсам. Представлена структура и таксо-номия действующих и разрабатываемых стандартов в области электронного обучения. С позиции обеспечения гарантий качества обосновано основополагающее значение международного стандарта ИСО/МЭК 19796 для разработки общего подхода и оценки качества процессов электронного обучения.

Guaranteeing the quality of e-learning is considered from the position of compliance with international and national standards that contain requirements for learning technologies and educational environment. The structure and taxonomy of existing and emerging standards for e-learning. Justified by the fundamental importance of the international standard ISO/IEC 19796 to develop a common approach and assess the quality of e-learning process.

Ключевые слова: гарантии качества, электронное обучение, стандартизация, инженерное образование, процесс.

Key words: quality assurances, e-learning, standardization, engineering formation, process. Современные тенденции в области глобали-

зации образования, создания мирового образо-вательного пространства и развития трансгра-ничного и транснационального образования обуславливают необходимость ускоренного ос-

воения российскими образовательными учреж-дениями новых образовательных технологий, отвечающих требованиям международных стандартов в области информационно-коммуникационных технологий и электронного



обучения [1-5]. Эта проблема особенно актуаль-на для ведущих технических вузов России, обеспечивающих высокое качество подготовки инженерных кадров и потенциально конкурен-тоспособных в определенных секторах мирово-го рынка образовательных услуг.

С вступлением России в ВТО тенденция гло-бализации может негативно проявиться на внутреннем рынке образовательных услуг, обо-стрив конкурентную борьбу российских вузов с мировыми образовательными корпорациями. В этой связи необходима целенаправленная дея-тельность российских инженерных вузов по по-вышению конкурентоспособности, что может быть обеспечено за счет интеграции инноваци-онного потенциала, формирования распреде-ленных образовательных систем, применения новых образовательных технологий и создания корпоративных электронных образовательных ресурсов. При этом должны быть обеспечены гарантии качества образования и соблюдены требования международных стандартов при разработке и применении систем электронного обучения [2, 4, 5, 7].

Процессы формирования информационного общества и развития трансграничного образова-ния обуславливают необходимость ускоренной адаптации российской системы образования к общепризнанным на мировом уровне правилам и нормам в области обеспечения качества, стан-дартизации, аккредитации, лицензирования, подтверждения соответствия, взаимного при-знания результатов испытаний. С точки зрения обеспечения гарантий качества основопола-гающее значение имеет разработка националь-ных стандартов, гармонизированных с между-народными стандартами и условиями междуна-родных соглашений и договоров. Это возможно при условии активной работы представителей Российской Федерации в Международной орга-низации по стандартизации (ИСО/ISO), Между-народной электротехнической комиссии (МЭК/IEC) и различных международных объе-динений.

Международная организация по стандартиза-ции и Международная электротехническая ко-миссия совместно разрабатывают международ-ные стандарты в области информационных тех-нологий в рамках первого совместного техниче-ского комитета ИСО/МЭК (СТК1/JTC1), объе-диняющего в настоящее время 38 подкомитетов (ПК/SC). Подкомитет ПК36 «Информационные технологии в обучении, образовании и подго-товке» был образован в составе СТК1 в 1999 г. и в настоящее время его членами являются сле-дующие страны: Австралия, Алжир, Бельгия, Босния и Герцеговина, Великобритания, Венг-рия, Гана, Германия, Гонконг, Дания, Индия, Индонезия, Ирландия, Испания, Италия, Казах-стан, Канада, Кения, Китай, Колумбия, Люксем-бург, Малайзия, Нидерланды, Новая Зеландия, Норвегия, Португалия, Российская Федерация, Румыния, Саудовская Аравия, Сингапур, Слова-кия, США, Турция, Украина, Финляндия, Фран-ция, Чехия, Швейцария, Швеция, Южная Корея, Япония. В 2009 г. в состав ПК36 приняты Сло-вакия, Босния и Герцеговина, Гана.

Руководство ПК36: председатель — Брюс Пиплз (США), секретарь — Чани Ли (Южная Корея).

В составе ПК36 образовано семь рабочих групп (WG) и специальная рабочая группа (SWG) по маркетингу и бизнес-планированию.

Рабочие группы возглавляются конвинерами из следующих стран:

- WG1 «Терминология» (Франция, образова-на в 2001 г.);

- WG2 «Технологии коллективной работы» (Япония, образована в 2001 г.);

- WG3 «Информация об обучаемом» (Фран-ция, образована в 2001 г.);

- WG4 «Управление и доставка контента» (Канада, образована в 2002 г.);

- WG5 «Обеспечение качества электронного обучения» (Германия, образована в 2002 г.);

- WG6 «Технологии обеспечения и специфи-кации для интеграции» (Китай, образована в 2004 г.);



Рис. 1. Структура стандартов, разрабатываемых ИСО/МЭК СТК1/ПК36:

- принятые стандарты; - разрабатываемые стандарты

- WG7 «Информационные технологии в обу-чении, образовании и подготовке – культурные, языковые и индивидуальные потребности» (Норвегия, образована в 2004 г.).

На рис. 1 представлена таксономия основных групп стандартов, разработанных и разрабаты-ваемых в ПК36. Следует отметить, что актив-ность разработки стандартов в ПК36 постоянно повышается.

Начиная с 1999 г., в ПК36 было разработано 17 международных стандартов, а в течение по-следующей пятилетки (2010-2014 гг.) будет раз-работано не менее 32-35 стандартов. Таксоно-мия стандартов, представленная на рис. 1, отра-жает направленность основных групп стандар-тов на выполнение основных функций в системе электронного обучения и возможности форми-рования соответствующих профилей требова-ний. Следует особо отметить системообразую-щую роль стандартов в области терминологии

(ИСО/МЭК 2382-36) и обеспечения качества электронного обучения (ИСО/МЭК 19796). Ука-занные стандарты имеют основополагающее значение как для создания систем электронного обучения, так и для разработки всего комплекса международных и национальных стандартов в узкой области.

Создание конкурентоспособных систем элек тронного обучения в области инженерного об-разования должно базироваться на комплексе требований (cм. рис. 2), содержащихся в феде-ральных государственных образовательных стандартах (ФГОС), международных и нацио-нальных стандартах, профессиональных стан-дартах и стандартах организаций (ВПО, корпо-ративных, отраслевых).

Анализ международного опыта показывает [3-6], что одной из ключевых задач при созда-нии образовательного информационного про-странства и развития технологий электронного



Рис.2. Фор-мирование требований к электронно-му обучению в области электронного образования

обучения является обеспечение гарантий безо-пасности и качества. В этой связи следует ука-зать на основополагающее значение междуна-родного стандарта ИСО/МЭК 19796 «Информа-ционные технологии в обучении, образовании и подготовке — Менеджмент качества, обеспече-ние качества и метрики», включающий пять частей [6]:

● 1. Общий подход. ● 2. Модель качества. ● 3. Методы и метрики. ● 4. Лучшие практики по реализации руко-

водств. ● 5. Руководство по применению ИСО/МЭК

19796-1.

ПК36 (Стейт-Колледж, США) принято решение о необходимости разработки 6-й части стандарта «Модель оценки для ISO/IEC 19796-1»; проект должен быть пред-ставлен для обсуждения в марте 2011 г.

Стандарт ИСО/МЭК 19796 имеет важное ме-тодологическое значение и содержит базовые положения, описания методов и метрик, необ-ходимых для обеспечения качества в области электронного обучения. При этом в концепту-альном плане данный стандарт опирается на ба-зовые принципы международных стандартов в области менеджмента качества (ИСО 9000, ИСО 9001. ИСО 9004) и системной и программной инженерии (ИСО/МЭК 15288, ИСО/МЭК 12207, ИСО/МЭК 90003 и др.).

В настоящее время разрабо-таны 1-я и 3-я части стандарта; остальные части находятся в ста-дии разработки. На 22-м Пленар-ном заседании

Рис. 3. Общий подход к качест-ву в области электронного обучения на ос-нове ИСО/МЭК 19796-1



Рис.

4. Ф

ункциональная

модель эталонной

структуры

описания общего подхода

к качеству электронного обучения



Соответственно в качестве доказательной ба-зы для оценки качества электронного обучения необходимо использовать стандарты, разраба-тываемые в рабочих группах ПК 36.

В первой части стандарта определен общий подход к менеджменту качества и обеспечению качества применительно к области обучения, образования и подготовки с использованием информационно-коммуникационных техноло-гий (рис. 3). Указанная область в обобщенном виде может быть определена как электронное обучение в образовательных учреждениях всех уровней и в организациях, обеспечивающих подготовку и переподготовку кадров. Основные положения стандарта применимы к различным формам организации электронного обучения (мобильное, сетевое, автономное, смешанное, совместное и др.) и видам дистанционных обра-зовательных технологий.

Стандарт определяет порядок разработки мо-дели процесса, представляющей собой процесс-но-ориентированную структуру для описания, сравнения и анализа подходов к качеству в ор-ганизациях, осуществляющих образовательную деятельность с применением дистанционных образовательных технологий и различных форм электронного обучения.

В качестве основы в стандарте использована эталонная структура для описания подходов к обеспечению качества (ЭСПК/RFDA), являю-щаяся универсальной моделью процесса. Для сравнения различных подходов к обеспечению и оценке качества рекомендовано использовать эталонные критерии качества (ЭКК/RQC).

Разработка общего подхода к качеству для организации, осуществляющей образователь-ную деятельность с применением электронного обучения, должна выполняться в соответствии со следующими этапами (рис. 4):

● объединение подходов к качеству, содер-жащихся в стандартах, профилях и лучших практиках;

● анализ и сравнение подходов к качеству на основе эталонной структуры для описания под-ходов к качеству (ЭСПК) и эталонных критери-ев качества (ЭКК);

● разработка гармонизированной модели; ● локализация и адаптация гармонизирован-

ной модели в соответствии с национальными,

отраслевыми и корпоративными требованиями. Разработка общего подхода к качеству долж-

на выполняться на основе применения осново-полагающих принципов и требований:

● всеобщего менеджмента качества; ● стандартов серии ИСО 9000; ● региональных и национальных документов

по стандартизации; ● региональных и национальных объедине-

ний и организаций в области образования и электронного обучения;

● нормативных документов образовательных учреждений (организаций) и корпоративных структур.

Использование Международного стандарта ИСО/МЭК 19796 позволит обеспечить гарантии качества электронного обучения при создании и внедрении индустриальных технологий элек-тронного обучения для подготовки и переподго-товки инженерных кадров для автоматизиро-ванного машиностроения. В этой связи следует указать на разработку в ТК 461 комплекса на-циональных стандартов по информационно-коммуникационным технологиям в образовании (см. таблицу), гармонизированных с междуна-родными стандартами и отражающих специфи-ку российской системы образования [1]. Разра-ботка двух взаимосвязанных национальных стандартов:

● ГОСТ Р 53625-2009 (ИСО/МЭК 19796-1:2005). Информационные технологии. Обуче-ние, образование и подготовка. Менеджмент качества, обеспечение качества и метрика. Часть 1: Общий подход (модификация между-народного стандарта);

● ГОСТ Р 53723-2009 Руководство по при-менению ГОСТ Р 53625-2009 (ИСО/МЭК 19796-1:2005) к информационно-коммуникационным технологиям в образовании позволяет в 2011 г. приступить не только к созданию, но и серти-фикации регламентированного ИСО/МЭК 19796-1 общего подхода к качеству электронно-го обучения, столь необходимого заказчикам и потребителям электронных образовательных услуг. На рис. 4 представлена функциональная модель эталонной структуры общего подхода к качеству электронного обучения, раз-работанная с учетом базовых положений ИСО/МЭК 19796-1.



Комплекс национальных стандартов по информационно-коммуникационным технологиям в образо-вании (ИКТО), разрабатываемых ТК 461 «ИКТО»

№ Наименование стандарта Первая редакция

Окончательная редакция

Введение в действие

1 ГОСТ Р 52652-2006. Информационно-коммуника-ционные технологии в образовании. Общие по-ложения

12.2005 08.2006 01.07.2008

2 ГОСТ Р 52653-2006. Информационно-коммуника-ционные технологии в образовании. Термины и определения

12.2005 08.2006 01.07.2008

3

ГОСТ Р 52655-2006. Информационно-коммуника-ционные технологии в образовании. Интегриро-ванная автоматизированная система управления учреждением высшего профессионального обра-зования. Общие требования

12.2005 08.2006 01.07.2008

4

ГОСТ Р 52656-2006. Информационно-коммуника-ционные технологии в образовании. Образова-тельные интернет-порталы федерального уровня. Общие требования

12.2005 08.2006 01.07.2008

5

ГОСТ Р 52657-2006. Информационно-коммуника-ционные технологии в образовании. Образова-тельные интернет-порталы федерального уровня. Рубрикация информационных ресурсов

12.2005 08.2006 01.07.2008

6 ГОСТ Р ИСО/МЭК 8825-4-2006. «Информацион-ная технология. Правила кодирования АСН.1. Часть 4. Правила XML кодирования (XER)

12.2005 08.2006 01.07.2008

7

ГОСТ Р 53625-2009 (ИСО/МЭК 19796-1:2005). Информационные технологии. Обучение, образо-вание и подготовка. Менеджмент качества, обес-печение качества и метрика. Часть 1:Общий под-ход (модификация международного стандарта)

12.2008 09.2009 01.01.2011

8

ГОСТ Р 53723-2009. Руководство по применению ГОСТ Р 53625-2009 (ИСО/МЭК 19796-1:2005) к информационно-коммуникационным технологи-ям в образовании

12.2008 09.2009 01.01.2011

9 ГОСТ Р 53620-2009. Информационно-коммуника-ционные технологии в образовании. Электронные образовательные ресурсы. Общие положения

12.2008 09.2009 01.01.2011

10 ГОСТ Р 53626-2009. Информационно-коммуника-ционные технологии в образовании. Технические средства обучения. Общие положения.

12.2008 09.2009 01.01.2011

11

ГОСТ Р ИСО/МЭК 8825-4-2009. Информацион-ные технологии. Правила кодирования ASN.1: Правила кодирования XML. Изменение 1. EXTENDED-XER

12.2008 09.2009 01.01.2011

12

ГОСТ Р - . Информационно-коммуникационные технологии в образовании. Информационно-коммуникационные технологические системы зданий образовательных учреждений. Общие по-ложения

12.2009 09.2010 2011*



13

ГОСТ Р - . Информационно-коммуникационные технологии в образовании. Информационно-коммуникационные технологические системы зданий образовательных учреждений. Термины и определения

12.2009 09.2010 2011*

14 ГОСТ Р - . Информационно-коммуникационные технологии в образовании. Учебная техника. Об-щие положения.

12.2009 09.2010 2011*

15 ГОСТ Р - . Информационно-коммуникационные технологии в образовании. Учебная техника. Термины и определения

12.2009 09.2010 2011*

16

ГОСТ Р ИСО/МЭК 19778-1. Информационные технологии. Обучение, образование и подготовка. Технология взаимодействия. Рабочее место. Часть 1. Модель данных для рабочего места.

12.2009 09.2010 2011*

17

ГОСТ Р ИСО/МЭК 19796-3. Информационные технологии. Обучение, образование и подготовка. Менеджмент качества, обеспечение качества и метрики. Часть 3. Эталонные методы и метрики

12.2010 09.2011 2012*

18

ГОСТ Р ИСО/МЭК 19778-2. Информационные технологии. Обучение, образование и подготовка. Технология взаимодействия. Рабочее место. Часть 2. Модель данных среды взаимодействия

12.2010 09.2011 2012*

19

ГОСТ Р ИСО/МЭК 19778-3. Информационные технологии. Обучение, образование и подготовка. Технология взаимодействия. Рабочее место. Часть 3. Модель данных группы взаимодействия

12.2010 09.2011 2012*

20 ГОСТ Р ИСО/МЭК 2382-36. Информационные технологии. Словарь. Часть 36. Обучение, обра-зование и подготовка

12.2010 09.2011 2012*

21 ГОСТ Р ИСО/МЭК 24703. Информационные тех-нологии. Идентификаторы участников

12.2010 09.2011 2012*

22 ГОСТ Р ИСО 15836. Информация и документа-ция. Дублинское ядро. Набор элементов метадан-ных

12.2010 09.2011 2012*

Заявка в план национальной стандартизации

на 2011 год

23

ГОСТ Р - . Информационно-коммуникационные технологии в образовании. Интегрированная ав-томатизированная система управления учрежде-нием общего образования. Общие положения

2011* 2012* 2013*

24

ГОСТ Р - . Информационно-коммуникационные технологии в образовании. Электронные учебно-методические комплексы. Требования и характе-ристики

2011* 2012* 2013*

25

ГОСТ Р - . Информационно-коммуникационные технологии в образовании. Метаданные элек-тронных образовательных ресурсов. Общие по-ложения

2011* 2012* 2013*

26

ГОСТ Р ИСО/МЭК 19796-2. Информационные технологии. Обучение, образование и подготовка. Менеджмент качества, обеспечение качества и система показателей. Часть 2. Гармонизированная модель качества

2011* 2012* 2013*



27

Руководство по применению ГОСТ Р ИСО/МЭК 19796-3. Информационные технологии. Обуче-ние, образование и подготовка. Менеджмент ка-чества, обеспечение качества и метрики. Часть 3. Эталонные методы и метрики

2011* 2012* 2013*

28

ГОСТ Р ИСО/МЭК 24751-1. Информационные технологии. Индивидуализированные адаптируе-мость и доступность в обучении, образовании и подготовке. Часть 1. Основы и эталонная модель

2011* 2012* 2013*

29

ГОСТ Р ИСО/МЭК 19780-1. Информационные технологии. Обучение, образование и подготовка. Технология сотрудничества. Связь при совмест-ном обучении. Часть 1. Текстовая связь

2011* 2012* 2013*

30 ГОСТ Р ИСО/МЭК 29127. Интеллектуальные системы для многоязычных процессов семанти-ческого расширения обратного запроса

2011* 2012* 2013*


1. Григорьев С.Н., Позднеев Б.М., Сутягин М.В., Косульников Ю.А. Перспективы создания системы рас-пределенного обучения и развития технологий e-learning для подготовки и переподготовки инженерных кадров в области автоматизированного машиностроения // Третья междунар. конф. по вопросам обучения с применением технологий e-learning «MOSCOW Education Online 2009», 27-29 сентября 2009: Сб. тезисов докладов конференции. М.: ООО «Global Conferences». 2009. С. 201–207.

2. Позднеев Б.М., Сутягин М.В., Поляков С.Д., Ко-сульников Ю.А. О развитии систем электронного обуче-ния на основе стандартизации и сертификации // Вестник МГТУ «Станкин». №1(9). 2010. С. 110-119.

3. Пугачев С.В., Казенов А.А., Позднеев Б.М., Пре-сняков Н.И. О роли стандартизации в развитии объектов сферы образования // Компетентность №10, 2006. С. 11-15.

4. Позднеев Б.М. Разработка национальных и между-народных стандартов в области электронного обучения // Информатизация образования и науки. №2. 2009. С. 3-12.

5. Позднеев Б.М. Качество – это соответствие стан-дартам // Качество образования, № 1-2. 2009.С. 46-49.

6. Позднеев Б.М., Косульников Ю.А., Сутягин М.В., Позднеев Б.Б. Стандарт 19796 придет в Россию // Качество образования. №5. 2009. С. 44-47.

7. Позднеев Б.М. Стандартизация и сертификация – основа гарантий качества в сфере e-Learning // Высшее образование в России. 2008. № 11. С. 40-44.

Позднеев Борис Михайлович – д-р техн. наук профессор, заведующий кафедрой «Информационные систе-мы» МГТУ «Станкин». (499) 973-11-51, [email protected]. Сутягин Максим Валерьевич – канд. техн. наук, начальник отдела технического и информационного обес-печения НОУ «Корпоративный институт ОАО «Газпром». (495) 719-40-27, [email protected]. Косульников Юрий Алексеевич - доцент кафедры «Информационные системы» МГТУ «Станкин». (499) 973-11-51, [email protected]. Селиванцев Олег Игоревич - аспирант кафедры «Информационные системы» МГТУ «Станкин». (499) 973-11-51 [email protected]. Pozdneev Boris Mikhailovich – head of the department «Information systems» MSTU “Stankin”, dr. sci. tech., pro-fessor. (499) 973-11-51, [email protected]. Sutyagin Maksim Valerievich - head of the department technical and information supply Gazprom Corporate Insti-tute, ph.d. (495) 719-40-27, [email protected]. Kosulnikov Yury Alekseevich - associate professor of Information Systems MSTU “Stankin”. (499) 973-11-51, [email protected]. Selivancev Oleg Igorevich - The post-graduate student of information system faculty MSTU “Stankin”. (499) 973-11-51, [email protected].

Канал связи как модель производственной системы


УДК 519.7 В.Г. Митрофанов, А.В. Капитанов, Ю.А. Милкина, В.Ю. Семилеткин

V.G. Mitrofanov, A.V. Kapitanov, Yu.A. Milkina, V.Yu. Semiletkin


Communication channel as model of industrial system Выбирается тип модели производственной системы на основе методологии обоснования решения в условиях

существенной неопределенности, объединяющей общую схему системного подхода с аналитическим процессом принятия решений.

The type of model of industrial system on the basis of methodology of a substantiation of the decision in the conditions of the essential uncertainty uniting the general scheme of the system approach with analytical decision-making process gets out.

Ключевые слова: производственная система, канал связи, системный анализ, интерпретация. Key words: industrial system, communication channel, system analysis, interpretation.

Широкое использование моделей систем яв-

ляется принципиальной особенностью систем-ного анализа [1]. По общепринятой классифика-ции [2] все проблемы подразделяются на три класса:

- хорошо структурированные (количественно сформулированные) проблемы;

- неструктурированные (качественно выра-женные) проблемы;

- слабоструктурированные (смешанные) проблемы, которые содержат как качественные, так и количественные элементы.

Системный анализ появился как средство решения слабоструктурированных проблем, как методология обоснования решения в условиях существенной неопределенности, объединяю-щая общую схему системного подхода с анали-тическим процессом принятия решений.

С точки зрения системологии [3] все осуще-ствимые модели делятся на имитационные (портретные) и оптимизационные. Первый под-ход состоит в приближении модели к системе за счет приближения числа координат модели к числу «фазовых» координат системы. Целесо-образность применения имитационных моделей «прямо пропорциональна» степени структури-рованности проблемы.

Если говорить о моделировании производст-венных систем (ПС), то степень адекватности

модели понижается, а уровень абстракции по-вышается как с ростом степени неопределенно-сти условий, так и порядкового номера этапа проектирования ПС. Чем адекватнее модель сложной системы, тем выше ее предсказатель-ные и ниже объяснительные качества.

Так как, с одной стороны, задача проектиро-вания ПС относится (вследствие существенного уровня неопределенности условий) к классу слабоструктурированных проблем и, с другой стороны, наименьшая структурированность свойственна первому этапу создания ПС - мак-ропроектированию, то именно на этом этапе це-лесообразно использование не имитационных, а оптимизационных моделей.

Служебным назначением оптимизационных моделей как раз и является сужение поля чис-ленного эксперимента путем превентивного от-сечения заведомо неэффективных решений. На основе более грубых (простых) оптимизацион-ных моделей могут быть получены лишь "верх-ние" оценки эффективности системы, но друго-го выхода в ситуации, характерной для стадии макропроектирования ПС, просто не существует.

Заказом, поступающим в производство, явля-ется нематериальная модель (на различных уровнях ее описания) изделия, т.е. информация, содержащая семантическую, количественную и временную составляющие. Таким образом,



Рис. 1. Системная мо-дель ПС: CAD/CAP/CAM – системы автоматизированного про-ектирования, планирова-ния технологических про-цессов, технологической подготовки производства)

средств и связей между ними, осуществляющих преобразование (изме-няющейся) информации о виде и тираже заказов в готовые изделия (рис. 2).

Интерпретация ПС каналом связи. Так как основным служебным на-значением ПС являетсяпреобразование инфор-мации, то, очевидно, вкачестве аналога решения задачи создания опти-мальных ПС деталей ма-шин может быть исполь-зован техника связи с соответствующей

главная функция производства - преобразова-ние информации об изделии в натуральное из-делие. Соответственно "преобразователем" информации об изделии из образного вида в натуральный является производственная сис-тема.

В общем случае производственная система расчленяется на три подсистемы: конструктор, технолог, изготовитель (рис. 1).

Если в обычном производстве способность адаптации ПС к изменению состояния произ-водственного процесса и средств производства реализуется путем введения обратных связей по параметрам качества процессов, то гибким сис-темам свойственен качественно новый аспект адаптации - к изменению воздействия окру-жающей среды на вход системы, проявляюще-муся в колебании плана продукции по типу и тиражу заказов.

Таким образом, исходя из служебного назна-чения, можно определить ПС как совокупность основных, обеспечивающих и вспомогательных

теоретической базой. Известно, что централь-ным понятием техники связи является понятие канала связи. Согласно этому, генерируемые источником сообщения поступают на устройст-ройство, называемое кодером. Основной функ-цией кодера является перевод сообщений с язы-ка источника на язык, "понятный" каналу (чаще всего на уровне физической природы сигнала). Обратную функцию осуществляет находящийся перед приемником декодер.

Вообще под каналом связи понимается вся-кое (любое) устройство, предназначенное для передачи информации. Таким образом, по сво-ему служебному назначению ПС вообще явля-ются каналом связи, а количество операций "ко-дирование-декодирование" в ПС зависит от конкретной технологии и границ конкретной ПС. Фактически технология является способом перевода информации о заказе с языка Заказчи-ка на язык Изготовителя.

Применительно к каналу "Технолог-Изготовитель" каждый конкретный технологи-



Рис. 2. Схема преобразования информации в ПС

ческий метод выражается собственным набором символов и блоков для кодирования сообщений заданного типа и объема и передачи их сырью (декодирования) с определенной скоростью. С указанной точки зрения технологический метод как процесс передачи информации об изделии на сырье включает три стадии:

- передача информации формообразующему модулю (ФОМ) (кодирование);

- передача информации сырью путем воздей-ствия формообразующего элемента (ФОЭ) (де-кодирование);

- фиксация информации. Разработка технологических процессов бази-

руется на идентификации элементов (характе-ристик) деталей имеющемуся в обрабатываю-щей системе набору технологических методов (кодовым символам и их комбинациям). В свою очередь, процесс идентификации заключается в членении объекта на элементы (множества и подмножества) и сравнении (постановке в соот-ветствие) последних с элементами, хранящими-ся в памяти идентифицирующего устройства (в частности, инженера-технолога) с последующим синтезом из этих элементов единого объекта-изделия.

Такая категория как "элемент" охватывает весьма широкий круг понятий, поэтому одна и та же деталь может быть воспроизведена ("пе-редана" по каналу будущей ОС) большим чис-лом различных технологических методов (ко-дов). Каждый код обладает различной качест-венной направленностью, универсальностью, длительностью, избыточностью.

Общая структура автоматической обрабаты-вающей системы (на нижних уровнях ориенти-рованная на традиционную материалообработ-ку) представлена на рис. 3, где указаны: - выход готовой продукции (ДМ); - вход сырья (полуфабрикатов); - блок обеспечения формообразующего модуля инструментом или ФОЭ (СМИ); - блок питания ФОМ заготовками (СМЗ); - блок преобразования энергии воздействия на формируемую поверхность (ПЭ); - устройство передачи энергии инструменту (Пф); - адаптер инструмента (АИ); - инструмент (И); - формирующий поверхность элемент (ФОЭ); - приспособление, связывающее инструмент с ориентирующим комплексом (ПИ);



Рис. 3. Структура обрабатывающей системы

- устройство, реализующее управление вектором состояния форми-рующего элемента (УФЭ); - транспортные потоки: инструментальный поток (ИП); - поток заготовок и готовых деталей (ПЗ); - информационные потоки: эндогенной информации первого рода (ЭНИ); экзогенной информации второго рода (ЭКИ).

Таким образом, с технической точки зрения основным функциональ-

ным элементом в ПC является формообра-зующий модуль, а в нем - комплекс реализации движения формообразо-вания (РДФ) и комплек-сы формирования по-верхности (ФПК). Сис-тема любого типа может быть построена путем выбора определенных ФОМ, установления оп-ределенного вида связей между ними и другими элементами системы (управляющими и сты-кующе-транспортными модулями, накопителя-ми и т.д.). Исследование прове-

дено при выполнении поисковой научно-исследовательской ра-боты в рамках реализа-ции ФЦП «Научные на-учно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы.

БИБЛИОГРАФИЧЕ-СКИЙ СПИСОК

1. Клейменов С.А., Павленко А.И., Рябов С.М. Основы проектиро-вания автоматизирован-ных технологических комплексов производства РЭА. М.: Высшая школа, 1994. 120 с.

2. Коган И.М. При-кладная теория информа-ции. М.: Радио и связь, 1981. 216 с.

3. Павлов В.В. Струк-турное моделирование в CALS – технологиях. М.: Наука, 2006. 307 с.

R-функции в аналитическом проектировании с применением системы «РАНОК»


Работа выполнена на кафедре “Автоматизированные системы обработки информации и управления».

Митрофанов Владимир Георгиевич – д-р техн. наук профессор, заведующий кафедрой. (499)9729512 [email protected] Капитанов Алексей Вячеславович – канд. техн. наук., доцент. Милкина Юлия Анатольевна – аспирант. Семилеткин Виктор Юрьевич – аспирант. Mitrofanov Vladimir Georgievich - dr. sci. tech., the professor managing chair. (499)9729512 [email protected] Kapitanov Alexey Vjacheslavovich - cand. tech. sci., the senior lecturer of chair. Milkina Julia Anatolevna - post-graduate student. Semiletkin Victor Jurevich – post-graduate student.

УДК 532.5; 536.24 К.В.Максименко-Шейко, А.В.Толок, Т.И.Шейко

K.V. Maximenko-Sheiko, A.V. Tolok, T.I. Sheiko


R-Functions in analytical design with the use of the RANOK system

Разработаны новые подходы к решению обратной задачи аналитической геометрии в трехмерном про-странстве с применением теории R-функций и специальных преобразований координат, позволившие сущест-венно упростить процесс построения нормализованных уравнений поверхностей геометрических объектов, со-стоящих из стандартных примитивов. В качестве примеров построены уравнения ряда поверхностей с изме-няемыми параметрами и выполнена их визуализация в системе «РАНОК».

New approaches of solving inverse problem of 3D analytical geometry are developed with the use of R-functions theory and special conversions of coordinates which allowed to simplify significantly the process of construction of normalized equ-ations of surfaces of geometrical object consisted of standard primitives. As an example equations of some surfaces with var-ied parameters are constructed and visualization in the RANOK system is carried out.

Ключевые слова: R-функции, система «РАНОК», система «ПОЛЕ», уравнения поверхностей машиностроительных деталей в 3D.

Key words: R-functions, the “RANOK” system, the”POLE” system, equations of the surfaces of machine-building details in 3D. Математическая теория R-функций (функций В.Л. Рвачева) возникла на стыке классических методов прикладной

математики, кибернетики и математической логики. Ее основы были заложены в 1963 г. Теория R-функций позволила

решить сформулированную еще Декартом в 1637 г. обратную задачу аналитической геометрии: задан геометрический

объект (ГО), требуется написать его уравнение [1, 6]. Интерес к теории R-функций объясняется как простотой и привле-



кательностью ее начальных идей, так и широким диапазоном областей приложений: аналитическая геометрия, матема-

тическое программирование, геометрическое проектирование, распознавание образов, теория устойчивости, химическая

технология и, в особенности, математическая физика с ее многочисленными задачами исследования физико-

механических полей. В.Л.Рвачев с помощью конструктивного аппарата теории R-функций разработал единый подход к

проблеме построения координатных последовательностей для основных вариационных и проекционных методов. В ме-

тоде R-функций (RFM — R-Functions Method) учет геометрической информации осуществляется достаточно просто.

Так, например, решение краевой задачи Дирихле, в которой заданы граничные значения искомой функции

Niiiu ,1 , заведомо содержится в пучке, представленном формулой

wФN

iiw

N

iiwiuuu

1

11

11

10 . Здесь 0w , 0iw — уравнения границы области и ее участков i

соответственно. Однако, в постановке краевых задач могут быть заданы на границе не значения функций или их част-

ных производных, а некоторые выражения, их содержащие. В таких случаях проблема построения так называемых

структур решения становится более сложной [1].

С методами построения уравнений ГО на основе RFM хорошо сочетаются классические приемы построения уравне-

ний поверхностей тел вращения, призматических и конических тел, скрученных цилиндров и змеевиков неклассическо-

го поперечного сечения. Рассмотрим, прежде всего, методы построения нормализованных уравнений поверхностей тел

вращения. Пусть 0,0 yx — нормализованное уравнение границы области 0,00 yx . Тогда уравнение ви-

да 022,0,,

zyxzyx является уравнением ГО , для которого ось Ox является осью симметрии.

Один из полезных подходов к построению ГО в 3D из 2D заключается во введении функциональных параметров, а

именно, если в плоскости xOy граница ГО описывается уравнением 0,...,1,,0 mccyx , где ic — геометрические

параметры, определяющие форму и размеры ГО 0 и его элементов, то, вводя функции mizic ,...,1 , при усло-

вии icic 0 , получаем уравнение поверхности вида [3, 5] 0,...,1,, zmczcyx , которому в сечениях const hz

будут соответствовать ГО из того же семейства.

Например, если известно, что при 0z граница ГО имеет вид прямоугольника со сторонами byax , и

описывается уравнением 0)22(0)22( ybxa , а при Hz граница ГО — также прямоугольник со сторонами

dycx , , и описывается уравнением 0)22(0)22( ydxc , то, следуя вышеизложенному, можно запи-

сать уравнение боковой поверхности c линейной зависимостью по z , соединяющей прямоугольники, в виде

022

102

21 y

Hzd

Hzbx

Hzc

Hza .

Необходимо ещё обратить внимание на тот случай, когда в нижнем, верхнем и всех промежуточных сечениях распо-

ложены ГО, обладающие свойством геометрического подобия. Если известно построенное с помощью R-функций урав-



нение границы ГО в плоскости xOy — 0, yx , то уравнение подобной фигуры имеет вид 0,1

kykxk , где k —

коэффициент подобия. Тогда, задавая zkk , при условии 10 k , получим уравнение поверхности

0,1 yzkxzk

zk , которому в сечениях const Hz будут соответствовать подобные ГО.

Известно, что нормализованное уравнение 0, yx является уравнением бесконечной призмы (или цилиндра) в

3D. Замена переменных

zyy

zxx

позволяет получить уравнение 0, zyzx наклонной призмы (или цилин-

дра) с образующими, параллельными вектору 1,,a и направляющей, описываемой уравнением 0, yx . Тогда

нормализованное уравнение наклонной призмы (или цилиндра) можно записать в виде

0,,21

,

zyxF

zyzxH

,

где

y

zyzxx

zyzxzyxF

,,,, .

Заметим, что замена переменных

00

00

00

00

zzyy

zyy

zzxx

zxx позволяет получить уравнение

000

00,00

00

zzyy

zyzzxx

zx конической поверхности с вершиной в точке )0,0,0( zyxA [1], для которой на-

правляющая описывается уравнением 0, yx .

Теперь рассмотрим вопрос о построении уравнения ГО, закрученного вдоль оси z по некоторому закону z . Если

в плоскости xOy граница 0 ГО 0 описывается уравнением 0, yx , то замена переменных

,sincos

,sincos

zyczxzyy

zxczyzxx

позволяет получить уравнение 0sincos,sincos zyczxzyzxczyzx , которое определяет в 3D

такой ГО, что его сечения плоскостями const Hz получаются из ГО 0

путем его вращения вокруг оси Oz и

смещения всех его точек в плоскости Hz на вектор ))(),(( zyczxcc . Нормализацию полученного уравнения по-

верхности скрученного цилиндра в 3D можно проводить как согласно общей методике, описанной в [3], по формуле

zyxzyx

zyxzyxn

,,22,,

,,,,

,



а)

б)

в)

Рис. 1.

Рис. 2.

так и следующим образом: если 2,1 ccc

, где 2,1 cc — константы, а zz , то по

формуле

2sincos,sincos

sincos,sincos,,zxzyzyzx

zxzyzyzxzyxn

.

Если z есть линейная функция вида zz , а 0 ycxc , то ГО будет

получаться из ГО 0 путем движения 0 вдоль винтовой линии с осью Oz , а

именно, путем вращения вокругоси Oz и равномерного поступательного движения

вдоль неё (рис.1, а) [6]. Нормализованным в 3D в этом случае является уравнение:

02

ˆˆ

ˆˆ21

ˆ,ˆ

yx

xy

yx

,

где

zyzxy

zyzxx

cossinˆ

,sincosˆ.

Уравнение границы поперечного сечения 0, yx (рис.2) для вышеуказанного

скрученного цилиндра задавалось с помощью системы R в виде

62849731051, ffffffffffyx ,

где опорными функциями являлись:

;0

12

2221

3;022

2221

2;012

2221

1

r

yaxrf

r

dycxrf

r

ayxrf

;0

22

2221

6;012

2221

5;022

2221

4

r

dycxrf

r

ayxrf

r

dycxrf

.0

2

2210;0

2

229;0

22

2221

8;012

2221

7

ayaf

axaf

r

dycxrf

r

yaxrf

Пусть функция z задана по закону, изображенному на рис.3, а.

Тогда, используя R-операции системы 1R , этот закон можно записать в виде 31211 z , где

abzh

ah

zh

23;2

2;21 . После подстановки получим цилиндр, скрученный по часовой стрелке лишь

на участках ,;, ba (см. рис.1, б).



Пусть функция z задана по закону, изображенному на

рис.3, б. Тогда, используя R-операции системы 1R , этот закон

можно записать в виде:

31211 z ,

где zLh

ah

zh

2

3;2

2;2

1 . После подстанов-

ки получим цилиндр, скрученный по часовой стрелке на участке

a, , и против часовой стрелки на участке ,b (см. рис.1, в).

Для построения уравнения бесконечного змеевика рассмот-

рим тор с сечением, уравнение границы которого

0,22

zcyx . Предполагается, что функция

zcyx ,22 нормализована. После подстановки

x

yzz arctg , где

2

H , в 0,22

zcyx , по-

лучим уравнение

0arctg,22,,

x

yzcyxzyx

b

бесконечной поверхности b

(см. рис.4, a), ограничивающей

область b

змеевика, с шагом H и поперечным сечением .

Уравнение границы поперечного сечения (рис.5) для выше-

указанного змеевика 0,22

zyx задавалось с помощью

системы 0R в виде

030201, fffzxw ,

где опорными функциями являлись

;002

22

2220

1

R

zRyxR

f

;02

2222

2

R

Ryxa

f

02

22

3

b

bzf .

a)

б)

Рис. 3.

a)

б)

Рис. 4.

Рис. 5.



Рис.6.

Рис.7.

Нормализованным в 3D уравнением поверхности змеевика будет

0

2

12

21

1,

zr

zr

,

где

.arctg1

,22

x

yzz

yxr

Заметим, что для змеевиков 0r при 01, zr .

Для построения уравнения скрученного тора рассмотрим тор с се-

чением, уравнение границы которого 0, zx .

После подстановки

;cossin

;sincos

h

Rz

h

RRrz

h

Rz

h

RRrx

где x

yyxr arctg;22 в уравнение 0, zx ,

получим уравнение 0cossin,sincos

h

Rz

h

RRr

h

Rz

h

RRr

поверхности (рис.4, б), ограничи-

вающей область скрученного тора эллиптического сечения, т.е. 2

2

2

21,

b

z

a

xzx .

Отметим общность методики построения уравнений приведенных выше геометрических объектов: в уравнениях на-

правляющих и границ поперечных сечений в 2D 0, yx выполняется замена переменных

zyxy

zyxx

,,2

,,1

и полу-

ченное уравнение 0,,2,,,1 zyxzyx является уравнением требуемого ГО в 3D. Описанные подходы хорошо

сочетаются с методами построения уравнений ГО с геометрическими сингулярностями и поверхностями двойного слоя.

Все построенные уравнения простейших трехмерных геометрических объектов могут быть использованы в качестве

стандартных примитивов с буквенными геометрическими параметрами для последующей автоматизации задания гео-

метрической информации о составленных из них ГО.

Рассмотрим деталь, представляющую собой ступенчатый вал с двумя зубчатыми шкивами. На центральной части ва-

ла выфрезерованы несколько винтовых канавок с равным шагом (рис.6).

Для построения функции (рис. 7), описывающей поверхность этой детали, возьмем четыре цилиндра с радиусами

4,3,2,1 rrrr и длинами 4,3,2,1 LLLL ; o

n — количество транслируемых проточек на зубчатых шкивах; 1on — коли-

чество транслируемых канавок, закрученных с параметром /2 z . Запишем опорные функции:



1/)24/2

1(0)12/)2221((1 LzLryxrf — цилиндр 1,1 Lr ;

2/)24/22(0)22/)222

2((2 LzLryxrf — цилиндр 2,2 Lr ;

42/)2224(3 ryxrf — цилиндр для шкивов;

23

423

03023

423

03

LzzL

Lfz

LzL

Lfws — два шкива;

6,0/)21

2109.0(4 yxf — транслируемые проточки на шкивах;

sin1

4cos1y

rx — преобразование координат для трансляции с количеством проточек

on ,

где

1 212

212sin

118

;arctg;22

k k

onk

k

onx

yyx

;

22

112

1103/24/23032/222

3 bryxLzLryxrb — цилиндр между шкивами с транс-

лируемыми закрученными канавками, где

1sin111

31cos111

y

rx — преобразование координат для трансляции с коли-

чеством канавок 1o

n ,

,

1 212

21112sin

111

81,111,arctg1,22

1

k k

onk

k

ont

xx

yyyyxx

cossin

sincos

yxyy

yxxx — преобразование координат для закрутки.

Окончательно общее уравнение поверхности рассматриваемой детали с 13 параметрами имеет вид

00400201 bfsff .

Рассмотрим поворотный клапан, имеющий вид цилиндра с хвостовиком. Цилиндр имеет два кольцевых выступа, то-роидальную выточку, цилиндрическое отверстие и секторный паз со стороны отверстия. Хвостовик состоит из гайки и вала со шлицами (рис.8).

Обозначим on - количество шлицев на хвостовике, h - глубина секторного паза, ph - высота шлица. Для построе-

ния функции , описывающей поверхность данной детали, возьмем пять цилиндров с радиусами bnrrrrr ,4,3,2,1 , кру-

говой тор с радиусом сечения 5r , правильный шестигранник с радиусом описанной



Рис.8.

Рис.9.

Рис.10.

Рис.11.

окружности 4

r (рис.9). Запишем функции стандартных примитивов:

;76543210

2221

zLLLLzLLLr

;7654320

2242

zLLLLzLLr

;30

2213

zzLr

;546540

2234

LLzzLLLr

;0

225

bnLz

bnr

;rrLzrρω2

52

542

46

;328012

1012

17

zLLLyx

yx

;320118

LLzx

hHbn

Lzyx

yx

02029 ,

где ;arctg;22x

yyx

1 ,

2 ,

3 ,

4 — набор ци-

линдров; 5

— цилиндрическое отверстие, 6

— тороидальная выточ-

ка; 7

— шлицевая насечка на хвостовике, 8

— гайка, 9

— сектор-

ный паз.

Преобразование

sin1

2cos

1y

phrx

,

где

1 212

212sin

118

k k

on

kk

on

, осуществляет тиражи-

рование шлица по дуге;

преобразование

1sin

11

6cos41

cos11

y

rx, где

1 212

2

612sin

116

81

k k

kk

, осуществляет построение

гайки.



Окончательно общее уравнение поверхности рассмотренной детали с 18 параметрами имеет вид:

060807090504030201 .

Рассмотрим винт с фасонной головкой, прорезью и стопорной поверхностью (рис.10).

Обозначим o

n — количество транслируемых цилиндрических проточек на головке винта, 2o

n — количество эле-

ментов насечки по окружности стопорной поверхности, 1h — шаг трансляции элемента насечки вдоль оси винта, rezd

— диаметр резьбы, H — шаг резьбы; h — параметр элемента насечки, — параметр, ограничивающий глубину на-сечки. Для построения функции , описывающей поверхность детали, возьмем шесть цилиндров с радиусами

bnrrrrrr ,

5,

4,

3,

2,

1 (рис.11), где

bnr — радиус прорези. Построим уравнение головки винта радиусом

4r с трансли-

руемыми проточками радиусом 5r :

21

21

254

;23

40222

43yxrf

LLzyxrf

,

где

sin1

4cos

1y

rx,

1 212

212sin

118

k k

on

kk

on

.

Тогда 0403

ffs

.

На цилиндре радиусом 1r нарежем резьбу.

2211 rf ;

z

LLurrezrf

23

2022

12

5 ,

где 22;arctg yxx

y ;

1

112

sin212

112

4;

2

*1

i H

zi

i

iHu

Hzz

.

Тогда 0501 ff

r .

На цилиндре радиусом 2r выполним насечку правильными пирамидами с параметром h

222

201102

2

202

2

21yxhrx

cy

hc

zh

c — насечка с бесконечной трансляцией

вдоль оси, где

hxhyc

y

hxc

hc

z

11/

11

11/

— преобразование координат для пирамиды;

1 1

12sin

212

1121

4

i h

zi

i

ih

c

— трансляция вдоль оси;



ky

rk

x

sin11

2cos

11 ;

1 212

2212sin

11

2

8

k k

on

kk

onk

— трансляция по окружности.

Тогда 022

23222

201

z

Lyxrcc - насечка длиной 3L на цилиндре радиусом

2r .

2

30

22232

Lzyxrf — цилиндр радиусом

3r , ограниченный плоскостью

23L

z ;

2226

yxbn

rf — цилиндрическая прорезь;

zLL

Lz

LLLf

542

3

2

3217

— плоскости, ограничивающие деталь по z .

Окончательно общее уравнение поверхности рассмотренной детали с 18 параметрами имеет вид

070600020 ff

scf

r .

Отметим, что в рассмотренных примерах были использованы специальные преобразования координат [2, 6]. Математический аппарат теории R-функций оказался весьма удобным для описания объектов фрактальной геомет-

рии функциями nExx ,0 , где x имеет вид единого аналитического выражения. При этом были использо-

ваны следующие конструктивные средства: R-функции системы 0

R , суперпозиции функции yx, с периодиче-

скими функциями, позволяющие транслировать заданную функцию вдоль осей с шагом x

h и y

h и вдоль окружности

радиусом R n раз, свойство подобия фигур, описанных уравнениями 0, yx и 0,1

KyKxK , где K — ко-

эффициент подобия. Построим уравнение губки Менгера (трехмерный аналог ковра Серпинского). Уравнение куба со стороной a2 име-

ет вид

02

22

02

22

02

22

,,0

a

za

a

ya

a

xazyx .

Уравнение трех центральных сквозных отверстий строится следующим образом:

02

29

2

02

29

2

02

29

2

02

29

2

02

29

2

02

29

2

3

1

1

a

ya

a

za

a

xa

a

za

a

ya

a

xab ,

а уравнения транслированных самоподобных отверстий:

02

223

2

02

223

2

02

223

2

02

223

2

3

1

a

xkk

a

a

zkk

a

a

ykk

a

a

xkk

a

kkb

...,3,2,02

2232

02

2232

0

k

a

ykka

azk

ka ,



где ;sinarcsin

kh

xkh

xk

;sinarcsin

kh

ykh

yk

;sinarcsin

kh

zkh

zk

13

2

k

ak

h ;

00

...020100

k

bbbk

.

На рис. 12 приведена визуализация уравнений поверхностей губки Менгера

для различных значений k .

Типичным детерминированным фракталом является кривая Коха. Процесс

ее построения выглядит следующим образом: берем единичный отрезок, раз-

деляем на три равные части и заменяем средний интервал равносторонним

треугольником без этого сегмента. В результате образуется ломаная, состоя-

щая из четырех звеньев длиной 1/3. На следующем шаге повторяем операцию

для каждого из четырех получившихся звеньев. Предельная кривая является

кривой Коха. Выполним построение на интервале axa 33 . Тогда:

00

y ;

0201001 ff ;

;0332

11 ayxf

0332

12 ayxf ;

;03,23121

yax

;02

1

2

3

2

323,

2

3

2

3

2

23122

ayax

ay

ax

;0,220,210,220,212 yxyxyxyx

;03,2311

yaxkk

;02

1

2

3

2

323,

2

3

2

3

2

23

12

ayax

ay

axkk

...,4,30,20

,10

,20

,1

kyxk

yxk

yxk

yxkk

1k

2k

3k

Рис.12.

0k

1k

2k

3k

4k

4k

Рис.13



а)

б)

Рис. 14.

На рис.13 приведены картины линий уровня функции 0, yxk

,

задающей кривую Коха для различных значений k .

Зная уравнение кривой Коха, можно построить, например, тела

вращения (рис.14): а - ось вращения — Oy при 2k ; б - ось враще-

ния — Ox при 2k .

Визуализация поверхностей в 3D выполнена в системе РАНОК [5],

а картины линий уровня функций 0, yx в системе ПОЛЕ [1, 4].


Конструктивные средства R-функций с успехом могут быть ис-пользованы в различных разделах прикладной математики. RFM по-зволил сформулировать и существенно продвинуться в решении про-блемы конструирования функций с заданными свойствами на задан-ных геометрических объектах, которые могут иметь практически произвольную форму. Представление геометрической информации в виде нормализованных уравнений создало условия для совместной переработки аналитической и геометрической информации и автома-тизации на этой основе решения широких классов прикладных задач. Подавляющее большинство краевых задач, решенных с помощью RFM, численно реализовывалось в системах семейства ПОЛЕ,

позволяющих оперативно проводить вычислительные эксперименты, существенно повышать производитель-ность труда инженеров-исследователей. Работы по расширению проблемной области и размерности решае-мых задач продолжаются в настоящее время.

Заметим, что метрическую информацию о геометрических формах и физических величинах можно вклю-чать в виде буквенных параметров. Это позволяет создавать программы для классов задач и путем вариации упомянутых параметров проводить многовариантные расчеты в рамках одной программы. Аналитическая форма представления решения в виде структур, в отличие от его представления в виде массивов таблиц, дает возможность для их использования в различного рода инженерных расчетах, получения интегральных, диф-ференциальных характеристик. Особенно важно такое представление при исследовании взаимодействия по-лей различной физической природы, в котором решение задачи для одного поля используется для форми-рования возбудителей другого поля.


1. Рвачев В.Л. Теория R-функций и некоторые её приложения. Киев: Наук. думка, 1982. 552 с. 2. Рвачев В.Л., Шапиро В., Шейко Т.И. Применение метода R-функций к построению уравнений локусов, обла-

дающих симметрией // Электромагнитные волны и электронные системы. 1999. Т.4. №4. С. 4-20. 3. Максименко-Шейко К.В., Мацевитый А.М., Шейко Т.И. Конструктивные средства метода R-функций для по-

строения примитивов в 3D // Проблемы машиностроения. 2005. Т.8. №1. С. 59-65. 4. Максименко-Шейко К.В., Мацевитый А.М., Шейко Т.И. Автоматизация построения уравнений геометриче-

ских объектов в методе R-функций / // Кибернетика и системный анализ. 2006. №2. С. 148-157. 5. Рвачев В.Л., Толок А.В., Уваров Р.А., Шейко Т.И. Новые подходы к построению уравнений трехмерных локу-

сов с помощью R-функций // Вестн. Запорож. ун-та. 2000. №2. С. 119-131. 6. Максименко-Шейко К.В. R-функции в математическом моделировании геометрических объектов и физических

полей / Харьков: ИПМаш НАН Украины. 2009. 306 с.

Когнитивные технологии в инженерной деятельности


Максименко-Шейко Кирилл Владимирович - канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. Института проблем машиностроения НАН Украины, отдел прикладной математики и вычислительных методов. Толок Алексей Вячеславович - д-р техн. наук профессор, заведующий кафедрой «Инженерная графи-ка» МГТУ «Станкин». Шейко Татьяна Ивановна - д-р техн. наук проф., зав. отделом прикладной математики и вычисли-тельных методов Института проблем машиностроения НАН Украины. Maksimenko-Shejko Kirill Vladimirovich - phD A fiz.-floor-mat. Sciences, the item науч. сотр., Institute of problems mashinostroe-nija НАН Ukraine, the item науч. сотр. Department of applied mathematics and com-puting methods. Tolok Alexey Vyacheslavovich - dr. sci. tech. Sciences, the prof., the manager. Chair of YOKES of MGTU "Stankin". Shejko Tatyana Ivanovna - dr. sci. tech. Sciences, the prof., the manager. Department of applied mathematics and computing me-todov Institute of problems of mechanical engineering НАН of Ukraine.

УДК 658.512.001.57:681.3.067 Г.Д. Волкова

G.D. Volkova


Cognitive Technology for Design Technique Выделены области использования когнитивных технологий в инженерной деятельности; перечислены тео-

ретические и практические разработки, выполненные специалистами МГТУ «Станкин» в области автоматиза-ции проектно-конструкторской деятельности на базе когнитивного подхода, включая сохранение интелекту-альных ресурсов.

Results of automation of intellectual work; presentation of knowlage on the base of cognitive technologies are looked in this report.

Ключевые слова: когнитивные технологии, автоматизация интеллектуального труда, концептуальное моде-лирование предметных задач, представление и обработкиа знаний.

Key words: cognitive technology, automation of intellectual work, conceptual modeling for subject labor, presenta-tion and manipulation of knowledge. Существующие проектные технологии и ме-

тодики очень сильно связаны с индивидуальным

опытом и знаниями специалистов. Эта ситуация

порождает проблемы инженерной деятельности,

к которым можно отнести:

- увеличение возрастного порога научно-

технических и инженерных кадров;

- уменьшение доли молодых специалистов в

инженерной деятельности;

- сложности взаимодействия и взаимопони-

мания инженерных специалистов разных воз-

растных групп и, как следствие, проблемы с пе-

редачей опыта и знаний молодежи;

- сохранение интеллектуального ресурса ор-

ганизаций и предприятий промышленности как

системы переподготовки кадров и как системы

ведения и развития нормативно-справочных

фондов;



- недостаточная востребованность научно-

технических достижений и разработок из-за вы-

соких затрат на доведение их до промышленных

образцов и технологий;

- сокращение кадровой и финансовой под-

держки на выполнение поисковых исследований

и работ по созданию новой продукции и др.

Проблема перевода знаний в виде результа-

тов инженерной деятельности в вычислитель-

ную среду на основе информационных и теле-

коммуникационных технологий сводится не

только к электронному копированию конструк-

торской и технологической документации, а за-

трагивает аспекты извлечения знаний из доку-

ментальных источников из памяти специали-

стов. Это невозможно без когнитивных техно-

логий, направленных на объективирование ин-

дивидуальных знаний, их упорядочение и сис-

тематизацию, преобразование в форму, обеспе-

чивающую их рациональную организацию в

вычислительной среде.

Когнитивные технологии связаны с пробле-

мами получения и моделирования конструктор-

ско-технологических знаний для следующих

областей инженерной деятельности:

- автоматизация проектно-конструкторской и

технологической деятельности;

- концептуальное проектирование техники и

технологий, суть которых заключается в полу-

чении конкурентоспособных идей на ранних

стадиях их разработки благодаря поддержке

концептуальной целостности различных пред-

ставлений объектов и процессов функциониро-

вания;

- разработка и внедрение CALS (или ИПИ) -

технологий для обеспечения семантической ин-

тероперабельности моделей и представлений

объектов и/или процессов, а также формирова-

ния целостного концептуального представления

наукоемких изделий при их создании, функцио-

нировании и совершенствовании.

Решение вышеперечисленных проблем не-

возможно без теоретических и практических

разработок в данных областях. В МГТУ

«СТАНКИН» с 1984 г. проводятся научные ис-

следования в вышеуказанных направлениях. В

основе этих разработок лежит методология соз-

дания машин, предложенная чл.-кор. РАН Ю.М.

Соломенцевым, основные положения которой

следующие:

1) центральными понятиями данной методо-

логии являются ИЗДЕЛИЕ и его ЖИЗНЕННЫЙ

ЦИКЛ, поэтому любая машина и ее составные

части должны рассматриваться с позиций их

жизненных циклов и согласованного управле-

ния всеми этапами жизненного цикла;

2) все этапы проектирования любого изделия

в качестве содержательной (концептуальной)

основы включают описание его функционально-

го назначения или процесса его перспективного

функционирования;

3) каждый шаг проектирования машины (и ее

составных частей) фиксируется решением, в ко-

тором отражены точные целевые характеристи-

ки функционирования объектов, особые условия

или ограничения на процесс и среду функцио-

нирования, на процесс и среду изготовления и

т.д.;

4) качество производства любой машины оп-

ределяется качеством и согласованным взаимо-

действием проектной, технологической и про-

изводственной сред ее реализации, что требует

содержательной увязки жизненных циклов раз-

нородных объектов: машины, среды и ее ком-

понентов, организационных элементов и др.;

5) декомпозиция этапов и шагов жизненного

цикла машины на производственные задачи оп-

ределяется сформированной организационно-



функциональной структурой предприятий, реа-

лизующих определенный этап, что связано с не-

обходимостью фиксации авторства или ответ-

ственности коллектива, или отдельного специа-

листа за результаты принятия решений на каж-

дом шаге создания.

Эти положения задают методологическую

основу для представления систем знаний конст-

рукторов и технологов с использованием инва-

риантных, содержательных конструкций и ин-

теграции этих систем знаний.

Теоретическими инструментами решения

вышеуказанных проблем являются когнитивный

и семиотические подходы:

- когнитивный подход определяется теоре-

тическими принципами и законом цикличности,

лежащими в основе исследований в области ис-

кусственного интеллекта, суть которых – мно-

гослойное представление знаний, где внутри

каждого слоя выделяются функциональные цен-

тры: контекстуальный, структурный и монади-

ческий, а связи слоев – на основе закона цик-

личности. При этом слои определяют уровни

сложности семантического описания реального

мира;

- семиотический подход позволил разре-

шить главную проблему автоматизации интел-

лектуального труда и обеспечить адекватность

знаковых представлений на базе единого семан-

тического представления предметной задачи.

Развитие семиотического подхода осуществ-

лялось в двух направлениях, а именно: учета

уровней абстрагирования и учета множествен-

ности представлений специалистов, участвую-

щих в процессе автоматизации. Композиция

этих направлений развития и ограничения на

количество формально-языковых представлений

позволили сформировать методологию авто-

матизации интеллектуального труда (МАИТ).

Отличительными особенностями МАИТ яв-

ляются:

- получение последовательности отображе-

ний синтаксических представлений предметных

задач в виде формализованных моделей на ос-

нове первоначально формируемой семантиче-

ской модели этой задачи на трех уровнях абст-

рагирования;

- наличие закономерностей формирования

как семантических, так и синтаксических пред-

ставлений инженерных задач, а также законо-

мерностей их отображения;

- первоначальное построение семантическо-

го (концептуального) представления приклад-

ной задачи (КППЗ), что обеспечивает выявление

основы для интерпретации данных, используе-

мых при ее автоматизированном решении и

смысловое единство для всех формально-

языковых представлений этой задачи.

Технология создания прикладных автомати-

зированных систем (ПАС), в том числе САПР

на основе МАИТ, позволила определить ком-

плекс разработок, выполненных на кафедрах

«Информационные технологии и вычислитель-

ные системы» и «Когнитивные технологии про-

ектирования» и обеспечивающих реализацию

этапов методологии: предпроектное обследова-

ние, проектирование ПАС, подготовку реализа-

ции и реализацию ПАС. Все теоретические и

практические результаты, полученные в ходе

этих разработок, использованы как в научно-

исследовательском, так и в учебном процессах

указанных кафедр. Эти результаты перечислим

в соответствии с указанными этапами.

Этап анализа – часть предпроектного обсле-

дования проектно-конструкторских и проектно-

технологических подразделений, в которых

осуществляется автоматизация инженерных за-

дач. Содержанием этапа является формирова-



ние и обработка начального модельного пред-

ставления проектных задач, которое включает

как поуровневую декомпозицию (разложение)

проектных задач на простые действия с исполь-

зованием базовых и типовых конструкций, так и

информационное описание элементарных дей-

ствий для такого разложения. Полученная от

проектировщиков информация, оформленная в

виде модели, фиксирует индивидуальный про-

цесс решения проектной задачи.

Для получения полного информационного

описания задачи разработан метод [1], позво-

ляющий получить информационные срезы

(множество входных, промежуточных и выход-

ных параметров) для предметных действий лю-

бого уровня декомпозиции.

Этот метод позволил перейти к обработке

(или структурному моделированию) полученной

модели на основе предложенного конвейерно-

тактового подхода и математического аппарата

блочных матриц. Структурное моделирование

заключается в минимизации числа тактов

(столбцов) и числа конвейеров (строк) выполне-

ния действий по определенным правилам с уче-

том их информационной связности, что позво-

ляет на ранних стадиях автоматизации инже-

нерных задач распараллеливать процедуры про-

ектирования.

Для данного этапа разработаны методики

формирования и структурного моделирования, а

также инструментальные средства его поддерж-

ки.

Следующий этап МАИТ - этап концепту-

ального моделирования - позволяет предста-

вить систему знаний проектных задач, подле-

жащих автоматизации. Результат этапа опреде-

ляет содержательное единство последующих

формально-языковых представлений этих задач:

инфологических, даталогических и реализации.

Особенностью теоретических положений

данного этапа является выделение двух взаимо-

связанных концептуальных представлений:

- универсального, определяющего строение

и закономерности формирования любой систе-

мы знаний на трех уровнях абстрагирования;

- представления предметных задач, опреде-

ляющего специфичное представление предмет-

ных знаний инженерных задач.

Для концептуальной модели любого уровня и

представления определены состав и структура

как увязанная совокупность статических и ди-

намических составляющих. Применение когни-

тивного подхода позволило сформировать до-

полнительно производные статические конст-

рукции, такие как тернарные связи категорий,

схемы категорий и их бинарные связи, а также

выявить системы ограничений 1-го и 2-го рода

на основные и производные статические конст-

рукции.

Детальная структура взаимосвязанных кон-

цептуальных представлений отражает как связи

моделей для каждого представления, так и опи-

сывает ограничения, накладываемые универ-

сальным представлением на представление

предметных задач.

Особая роль в такой структуре отводится

концептуальной модели абстрактного уровня,

состоящей из «семи нот и законов композиции»,

на основе которой можно формировать «музы-

кальное произведение» мыслительной деятель-

ности.

Предложенные семь информационных кате-

горий (Цикл, Процесс, Задача, Компонент, Объ-

ект, Признак, Значение) – как элементы модели

абстрактного уровня - развивают и дополняют

методологию Чена.

Для лучшего восприятия и понимания разра-

ботанной теории предложена графическая ин-



терпретация всех видов семантических конст-

рукций в моделях любого уровня и любого

представления.

Отвечая на вопрос, как порождаются связи,

были выявлены закономерности формирования

концептуальных моделей. Они представлены

общей структурой и охватывают формирование

концептуальных конструкций на каждом уровне

абстрагирования и увязку их в единое целое для

всех четырех составляющих концептуальных

моделей: структур на категориях, схемах кате-

горий и систем ограничений 1-го и 2-го рода.

Формальное описание КППЗ по структуре

описания моделей подобно описанию универ-

сального представления, но с тем отличием, что

системы ограничений имеют «предметную ок-

раску» в виде предметных зависимостей.

Ограничения, накладываемые универсаль-

ным представлением на представление пред-

метных задач, сводятся к следующему:

- статические конструкции предметного

представления являются подструктурами уни-

версального представления;

- динамические конструкции предметного

представления соотносятся с соответствующи-

ми конструкциями универсального представле-

ния как элемент и множество.

Разработанные методические материалы и

инструментальные комплексы поддержки кон-

цептуального моделирования проектно-

конструкторских задач [2 - 4] позволяют:

- формировать, визуализировать и докумен-

тировать концептуальные модели в виде сово-

купности спецификаций;

- аналитически обрабатывать описание кон-

цептуальных моделей;

- формировать и документировать визуаль-

ные концептуальные конструкции в виде сово-

купности диаграмм и спецификаций.

Заключительный этап проектирования ПАС -

этап инфологического моделирования - пред-

назначен для получения такого представления

инженерной задачи, которое инвариантно к про-

граммно-техническим средам и средствам реа-

лизации.

Теоретические положения данного этапа

также включают два инфологических представ-

ления:

- универсального, определяющего строение

и закономерности формирования вербальных

знаковых конструкций на трех уровнях абстра-

гирования;

- предметных задач, определяющего специ-

фичное представление этих конструкций, учи-

тывающих особенности предметной области на

двух уровнях абстрагирования.

Для инфологической модели любого уровня

и представления также определены состав и

структура – как увязанной совокупности стати-

ческих, динамических (доступов) и функцио-

нальных (манипуляций) составляющих.

Предложенные три типа структурных единиц

– информационный модуль, информационная

сущность, информационный атрибут - разви-

вают и дополняют теорию Кодда.

Выявленный и сформулированный закон

цикличности вербальных знаковых представле-

ний позволил формировать производные конст-

рукции и связи между ними.

Выявленные закономерности формирования

инфологических моделей имеют ту же общую

структуру и охватывают формирование инфо-

логических конструкций на каждом уровне аб-

страгирования и увязку их в единое целое для

всех шести составляющих инфологических мо-

делей: структур на структурных единицах;

структур на схемах структурных единиц; систем



доступов1-го и 2-го рода; систем манипуляций

1-го и 2-го рода.

Кульминацией теоретических положений

МАИТ является отображение семантических

конструкций в синтаксические, для которого

была выявлена и сформулирована закономер-

ность отображения.

Выполненная графическая интерпретация

отображения статических конструкций позво-

лила констатировать, что в результате проекти-

рования ПАС формируются многослойно-

многомерные информационные конструкции

под организацию информации и знаний проект-

ной задачи, содержание которых «сжимается»

при переходе к вышестоящему слою.

Разработанные методические материалы и

инструментальные комплексы поддержки ин-

фологического моделирования проектных задач

[5 - 7] позволяют:

- формировать, визуализировать и докумен-

тировать инфологические модели в виде сово-

купности спецификаций;

- автоматически отображать концептуальные

представления в инфологические для проектных

задач;

- оптимизировать систему предметных дос-

тупов для проектных задач.

Разработанные инструментальные комплексы

поддержки этапов методологии автоматизации

используются в учебном процессе при выполне-

нии лабораторных и курсовых работ по дисци-

плинам «Технология информационных процес-

сов», «Концептуальное моделирование пред-

метных задач», «Разработка САПР» в рамках

подготовки инженеров по специальности «Сис-

темы автоматизированного проектирования».

Дальнейшее развитие теоретического аппара-

та МАИТ позволило перейти к созданию интег-

рированной среды поддержки процессов управ-

ления созданием ПАС [8, 9].


1. Разработанная методология автоматиза-

ции интеллектуального труда позволяет приме-

нять технологии представления и обработки

инженерных знаний с для перевода их в вычис-

лительную среду.

2. Инструментальные средства поддержки

этапов методологии позволяют аккумулировать

инженерные знания в электронной форме, обес-

печивающей как сохранение интеллектуальных

ресурсов в проектных подразделениях, так и

реализацию их в новых программных средах и

комплексах.


1. Курышев С.М. Разработка методов и средств

формирования и моделирования представлений про-

ектно-конструкторских задач на этапе предпроект-

ного обследования организации при создании САПР

машиностроительного назначения. М.: МГТУ

«Станкин», 1999 г.

2. Сирота И.М. Разработка методов и средств

поддержки визуального концептуального моделиро-

вания проектно-конструкторских задач при создании

САПР машиностроительного назначения. М.:

МГТУ «Станкин». 1999. 198 с.

3. Щукин М.В. Разработка метода и средств

поддержки аналитической обработки, визуализации

и документирования концептуальных представлений

при проектировании САПР машиностроительного

назначения. М.: МГТУ «Станкин». 2003. 346 с.

4. Бычкова Н.А. Разработка метода и инстру-

ментальных средств визуального моделирования и

документирования системы знаний предметных за-

дач при проектировании САПР машиностроительно-

го назначения. М.: МГТУ «Станкин», 2006, 275 с.



5. Семячкова Е.Г. Разработка методов и средств

поддержки процесса инфологического моделирова-

ния при создании САПР машиностроительного на-

значения. М.: МГТУ «Станкин», 1996.

6. Новоселова О.В. Разработка метода и средств

поддержки автоматического отображения концепту-

альных представлений в инфологические при проек-

тировании САПР машиностроительного назначения.

М.: МГТУ «Станкин», 1997. 264 с.

7. Бродская М.А. Разработка метода и средств

поддержки оптимизации алгоритмических специфи-

каций при инфологическом моделировании проект-

но-конструкторских задач при создании САПР ма-

шиностроительного назначения. М.: МГТУ «Стан-

кин», 1998. 160 с.

8. Протасова С.В. Разработка метода и средств

поддержки взаимосвязанного моделирования про-

ектных и управленческих процессов при автомати-

зации деятельности проектно-конструкторской ор-

ганизации. М.: МГТУ «Станкин», 2007. 206 с.

9. Володин Д.А. Разработка метода и средств

формирования и развития интегрированной среды

поддержки создания САПР машиностроительного

назначения. М.: МГТУ «Станкин», 2008. 311 с.

Волкова Галина Дмитриевна – д-р техн. наук профессор кафедры ИТ и ВС. [email protected]. Galina D. Volkova – professor of department “Information Technology and Computing Systems” MSTU “Stankin”, doctor of sci. [email protected].

ЭКОНОМИКА И УПРАВЛЕНИЕ


УДК 338.45:621 А.Г. Бадалова, Ю.Я. Еленева, А.И. Шебаров

A.G. Badalova, Yu.Ya. Eleneva, A.I. Shebarov

Инновационное развитие промышленного производства: структуризация методологии организации управления

Innovative development of the industrial production: structurization of the methodology of the managing organization

Рассмотрена одна из наиболее значимых проблем в области инновационного развития промышленного произ-водства – структуризация методологии организации управления инновационным развитием промышленного производства.

Сформирована совокупность элементов управленческой методологии, объединенных в три базовые компо-ненты: 1) теоретические основы (базовые теоретические установки); 2) базовые управленческие и организаци-онные механизмы; 3) базовые оценки эффективности. Представлена структуризация и систематизация ме-тодологии организации управления инновационным развитием промышленного производства посредством на-полнения и подробного описания всех указанных базовых компонент методологии.

The article is devoted to one of the most sufficient problems in the sphere of innovative development of industrial plats – the structurization of the innovative development management methodological components.

The author represents the basic methodological components of the industrial plats’ innovative development, including theoretical background, key managerial, organizational mechanisms and efficiency indicators.

The article introduces the structured and systemized methodology of the industrial plats’ innovative development management, subdivided into four afore-mentioned components.

Ключевые слова: инновационное развитие, промышленное производство, организация управления инно-вационным развитием, управленческая методология, структуризация методологии.

Key words: innovative development, industrial plant, innovative development system management, managerial methodology, methodology structurization.

Цель работы - структурирование и система-

тизация организационно-управленческой мето-дологии, базирующейся на разработанных тео-ретических и концептуальных основах управле-ния инновационным развитием промышленного производства.

Базовые компоненты организационно-управленческой методологии следующие.

● 1. Теоретические основы, т.е. базовые теоретические установки, включающие:

- гипотезы; - базовые и прикладные теории; - основополагающие подходы; - базовые принципы управления инноваци-

онным развитием промышленного производст-

ва, включающие общие и частные принципы; - понятийный аппарат организационно-

управленческой методологии, включающий ос-новополагающие понятия и категории, необхо-димые для разработки концептуальных основ и системы организации управления инновацион-ным развитием промышленного производства (СОУИР ПП).

● 2. Базовые механизмы организационно-управленческой методологии применительно к управлению инновационного развития про-мышленного производства, подразделяющиеся на управленческие и организационные меха-низмы. Элементы каждого из базовых механиз-мов:

Инновационное развитие промышленного производства: структуризация методологии…


- базовые управленческие механизмы вклю-чающие управленческие процедуры, управлен-ческие инструментарий и структуры;

- базовые организационные механизмы включающие организационные процедуры и ор-ганизационные инструменты.

● 3. Базовые оценки эффективности, со-стоящие из методов и критериев оценки эффек-тивности.

Каждый из перечисленных комплексных элементов в разрезе компонентов организаци-онно-управленческой методологии включает частные элементы, требующие разработки в рамках проводимого исследования.

Таким образом, методология организации управления инновационным развитием про-мышленного производства включает три уровня систематизации и 10 комплексных элементов структуризации (рис. 1).

Определим совокупность частных элементов организационно-управленческой методологии по комплексным элементам и компонентам ме-тодологии.

Рассмотрим базовые теоретические уста-новки. Теоретические основы составляют базо-вые и прикладные теории и основополагающие подходы, базовые и частные принципы, а также понятийный аппарат. Базовые теории позволяют учесть объектив-

ные закономерности и аспекты функционирова-ния предприятия и промышленного производст-ва в целом и тем самым сформировать теорети-ческий «фундамент» создаваемых концептуаль-ных основ и методологии управления иннова-ционным развитием. В рамках проведения ис-следования базовыми теориями являются: тео-рия научного управлении, теория рыночного равновесия, трудовая теория стоимости, теория множеств и теория риска. Прикладные теории позволяют учесть при-

кладные аспекты функционирования предпри-ятия в контуре промышленного производства, прежде всего с позиций целей, содержания и результатов управления развитием, в том числе и организации управления инновационным раз-витием.

Рис. 1. Составляющие управленческой методологии в части организации управления инновационным развитием промышленного производства



К прикладным теориям, исследование кото-рых необходимо при создании методологии ин-новационного развития и разработке СОУИР ПП, следует отнести:

- теорию принятия решений; - инновационные теории, математическое

программирование; - теорию систем и системный анализ; - теорию автоматического управления; - теорию оценки стоимости собственности; - теорию передачи полномочий, - теорию заинтересованных лиц и теорию

мотивации. Основополагающими подходами для органи-

зации управления инновационным развитием промышленного производства являются сле-дующие подходы: системный, процессный, структурный, стоимостный и иррациональный.

Наиболее важными общими базовыми прин-ципами являются:

- принципы комплексности, полноты и не-прерывности;

- принцип полезности; - принцип соответствия; - принцип эффективности; - принципы адекватности и адаптации; - принцип научной обоснованности; - принцип единства теории и практики орга-

низации управления; - принцип социальной ответственности; - принцип верифицируемости. К частным базовым принципам – принци-

пам организации управления инновационным развитием промышленного производства (по мнению авторов) следует отнести:

- стратегическую необходимость; - организационную достаточность; - управляемость; - осознанность; - экономичность; - учет программы социально-экономичес-

кого развития РФ и стратегии развития пред-приятия;

- возможность трансфера инновационных технологий и продвижения и инновационных разработок;

- учет фактора времени и этапа жизненного цикла промышленного предприятия.

Перейдем ко второй компоненте – базовым управленческим механизмам. Частными эле-ментами управленческих процедур, требующих разработки, являются:

● классификация составляющих инноваци-онного потенциала и направлений инновацион-ного развития промышленного предприятия;

● оценка инновационного потенциала, уров-ня инвестиционного развития и эффективности использования инновационного потенциала промышленного предприятия;

● моделирование процесса управления и ор-ганизации управления инновационным развити-ем промышленного производства на мезо- и микроуровнях;

● оценка и обоснование выбора стратегии инновационного развития промышленного предприятия;

● оценка и управления рисками инноваци-онного развития промышленного производства и промышленного предприятия;

● оценка и управление инновационной ак-тивностью промышленного предприятия.

К организационным процедурам в аспекте ба-зовых организационных механизмов следует отнести:

● процедуры трансферта и продвижения ин-новационных разработок;

● процедуры выбора формы организации управления инновационным развитием про-мышленного производства;

● механизм создания и внедрения СОУИР ПП.

Как отмечено выше, инструментарий, отно-сящийся к базовым механизмам, также подраз-деляется на управленческий и организацион-ный. Управленческий инструментарий, требую-

щий исследования, включает:

Инновационное развитие промышленного производства: структуризация методологии…


Рис.

2. Структурированная

и

систематизированная

управленческая

методология

организации

управления

инновационным

развитием

пром

ышленного производства



● показатели, инструменты, методы и моде-ли оценки инновационного потенциала про-мышленного предприятия и уровня инноваци-онного развития промышленного производства;

● шкалы оценки инновационного потенциа-ла промышленного предприятия по его состав-ляющим и направлением инновационного раз-вития;

● инструменты управления интеллектуаль-ным капиталом промышленного предприятия.

При формировании базовых организацион-ных механизмов необходимо разработать сле-дующие организационные инструменты:

● организационные модели и методы фор-мирования институциональных структур инно-вационного развития промышленного произ-водства;

● организационные модели управления про-цессами инновационного развития по уровням управления.

Последним комплексным элементом, отно-сящимся к управленческим механизмам, явля-ются управленческие структуры, включающие:

● систему организации управления иннова-ционным развитием промышленного производ-ства (общая структурная модель и функцио-нальная структура СОУИР ПП);

● структуру информационной модели про-цесса организации управления инновационным развитием (ИМОУИР) промышленного произ-водства;

● организационную и техническую модель управления инновационным развитием про-мышленного производства;

● пакет внутренних организационных регла-ментов, необходимых для формализации ИМОУИР;

● типовую структуру основных регламентов реализации ИМОУИР.

Заключительными комплексными элемента-ми структурируемой организационно-управленческой методологии являются методы и критерии оценки, в составе которых необхо-димо разработать и/или сформировать следую-

щие частные элементы соответственно: ● 1) методы оценки: - ценности промышленного предприятия; - оценки организационно-технологической и

экономической эффективности внедрения СОУИР ПП;

● 2) критерии и показатели оценки: - фундаментальная ценность промышленно-

го предприятия; - рентабельность инвестированного капитала

промышленного предприятия; - фондоотдача, капиталоемкость, техниче-

ская вооруженность, инновационная вооружен-ность, длительность цикла инновационного раз-вития промышленного производства и/или соз-дания и использования инновационного потен-циала промышленного предприятия;

- организационно-экономические, организа-ционно-технические и финансовые индикаторы инновационного потенциала и инновационной активности промышленного производства и промышленного предприятия.

Структурированная и систематизированная организационно-управленческая методология в части управления инновационным развитием промышленного производства представлены на рис. 2.

Дальнейшие исследования, позволяющие полностью сформировать управленческую ме-тодологию организации управления инноваци-онным развитием промышленного производст-ва, должны быть направлены на разработку ус-тановленных частных элементов указанной ме-тодологии.


1. Бадалова А. Г. Управление рисками произ-водственных систем: теория, методология, механиз-мы реализации. М.: «Станкин», «ЯНУС-К». 2006. 328 с.

2. Еленева Ю. Я. Обеспечение конкурентоспо-собности промышленных предприятий. М.: «Янус-К», 2001. 296 c.

3. Дмитриев О.Н. Системный анализ в управле-нии. 3-е изд. М.: «Гном и Д». 2002. 333 с.

Экономическая поддержка научно-исследовательских организаций…


Бадалова Анна Георгиевна – д-р экономич. наук профессор кафедры «Финансовый менеджмент». Еленева Юлия Яковлевна – д-р экономич. наук профессор, заведующая кафедрой «Финансовый менеджмент». Шебаров Алексей Игоревич – канд. техн. наук, генеральный директор ЗАО «Управление по разви-тию новых экономических форм производства». Badalova Anna G. - Financial Management department full professor, MSTU «Stankin», dr. of econom-ics, Moscow. Eleneva Yulia Ya. -head of chair of Financial Management MSTU «Stankin», full professor, dr. of eco-nomics, Moscow. Shebarov Alexey I. - general manager of «New economical production forms enterprise» ltd.ph.d.

УДК 338.45.01 А.П. Ковалев, Н.Н. Закшевская

A.P.Kovalev, N. N. Zakshevskaya

Экономическая поддержка научно-исследовательских организаций: коммерциализация результатов исследований и возможностей высокотехнологичного оборудования

Commercialization of scientific researches results and func-tionality of the hi-tech equipment as means of economic support of the research organisations

Рассмотрены основные направления коммерциализации результатов научных исследований и функциональ-ных возможностей высокотехнологичного оборудования, особенности организации маркетинговой деятельно-сти по коммерциализируемым операциям, а также предложен подход по оценке инвестиционной привлекатель-ности и целесообразности внедрения коммерциализируемых проектов.

Examined the basic directions of commercialization of scientific researches results and functionality of the hi-tech equipment, the feature of the organisation of marketing activity on operations of commercialization, and also the ap-proach is offered according to investment appeal and expediency of introduction of commercialized projects.

Ключевые слова: коммерциализация; научно-исследовательская, инновационная и маркетинговая деятель-ность; инвестиционная привлекательность

Key words: commercialization, research, innovative and marketing activity, investment appeal Становление и развитие научно-исследова-

тельских организаций (НИО) инновационного типа при вузах сопровождается их оснащением сложным высокотехнологичным оборудованием и необходимой инфраструктурой. Современное высокотехнологичное оборудование служит технической базой для выполнения научных ис-

следований, нацеленных на создание и внедре-ние продуктовых и технологических инноваций.

В то же время в НИО возникает проблема обеспечения полной загрузки высокотехноло-гичного оборудования только исследователь-скими работами. Оборудование зачастую дли-тельно простаивает и, учитывая его высокую



балансовую стоимость, НИО несет существен-ные экономические потери.

Опыт ряда отечественных и зарубежных НИО показывает, что отдачу высокотехноло-гичного оборудования и всего имущественного комплекса (включая недвижимость, сети, ком-муникации и т.д.) можно значительно повысить, осуществляя коммерциализацию результатов исследований и использование функциональных возможностей установленного оборудования.

При этом большое значение имеет построе-ние организационно-экономического механиз-ма, позволяющего гармонично сочетать исполь-зование основных функций оборудования по проведению научных исследований с другими функциями оборудования и имущественного комплекса в целом по проведению коммерциа-лизируемых операций.

К коммерциализируемым операциям отно-сятся:

● услуги по технологическим работам для сторонних организаций;

● изготовление различных изделий для по-ставки на реализацию в торговую сеть;

● образовательные услуги по обучению сту-дентов при прохождении специальных дисцип-лин и практики;

● услуги по бизнес-образованию (например, специальные краткосрочные курсы для специа-листов и курсы по повышению квалификации);

● изготовление изделий для собственных нужд вуза.

В результате формируется дополнительный чистый доход НИО, равный валовому доходу за вычетом понесенных издержек.

Коммерциализация инноваций является акту-альной проблемой для России. Большинство но-вейших разработок не используется, тем самым снижая потенциальную эффективность и конку-рентоспособность различных отраслей эконо-мики. Инновационная деятельность в современ-ной промышленной среде только начинает адаптироваться к условиям рынка. Вместе с тем наблюдается определенный рост использования инновационных технологических разработок, выполненных в научно-исследовательских под-разделениях вузов, что вызвано стремлением промышленных предприятий к повышению по-тенциала своей конкурентоспособности и, как следствие, к укреплению позиций на отечест-

венных и зарубежных рынках. В связи с этим на уровне вузов возникает проблема продвижения созданных на их базе инновационных техноло-гий и элементов.

Сфера коммерциализации результатов науч-ных исследований и использования различных функциональных возможностей установленного высокотехнологичного оборудования как объект маркетинговой деятельности характеризуется рядом специфических признаков, наиболее важ-ными из которых являются:

- неопределенность спроса и неясность гра-ниц рынка (возможность слияния нескольких рыночных сегментов или, наоборот, распад рынка на узкоспециализированные сегменты);

- неопределенность результата (трудно пред-сказать, к чему приведут фундаментальные ис-следования, найдет ли новая технология приме-нение, насколько перспективны коммерческие предложения и возможность их распростране-ния на максимально большое количество сфер и объектов применения и т.п.);

- высокая потребность в рисковых финансо-вых ресурсах для реализации проектов;

- потребность в нестандартных маркетинго-вых мероприятиях (сравнительно малобюджет-ных, но высокоэффективных за счет сфокусиро-ванности на предполагаемой целевой аудито-рии).

Поэтому одним из главных условий успеш-ного функционирования системы коммерциали-зации в НИО является организация службы маркетинга и ценообразования, функциями ко-торой являются анализ рынка, выявление по-требностей в услугах и товарах, информацион-ная работа и налаживание контактов с возмож-ными покупателями.

В общем виде основные направления работ, выполняемых подразделением маркетинга и це-нообразования в НИО вуза, заключаются в сле-дующем:

- сбор и систематизация информации о тео-ретических и практических результатах, полу-ченных организацией в научно-исследова-тельской и инновационной деятельности в целях подготовки данной информации для распро-странения в рыночной среде;

- информационный поиск, экспертиза и классификация аналогичных исследовательских



проектов, выполненных другими организация-ми;

- маркетинговое сопровождение и организа-ционное обеспечение взаимодействия в цепочке «образование-наука-производство»;

- подготовка предложений по развитию ус-луг и производства на основе использования имеющейся в НИО производственной и научно-исследовательской базы;

- обоснование ценовых показателей и усло-вий реализации результатов научно-исследова-тельской, инновационной и коммерческой дея-тельности.

Основные усилия службы маркетинга и це-нообразования должны быть сосредоточены, с одной стороны, на создании банка данных гото-вых рыночных инновационных разработок НИО вуза для их дальнейшего тиражирования на предприятиях, а с другой стороны, на выявле-нии потребностей потенциальных заказчиков в новых разработках и соответствующей коорди-нации инновационной деятельности НИО и вуза в целом.

Исходя из этого, сформулируем требования к организации маркетинговой деятельности по коммерциализации результатов научных иссле-дований и функциональных возможностей вы-сокотехнологичного оборудования:

- привлекательность ожидаемых и получен-ных результатов исследований для участников потенциальных рынков. При этом интерес могут представить как конечные рынки сбыта, так и рынки партнерских отношений с потенциаль-ными посредниками (например, в сфере произ-водства и сбыта, информационной поддержки, лизинга, кредита и т.п.);

- сфокусированность маркетинговых меро-приятий на целевых сегментах. Необходимо иметь в виду, что чем радикальнее инновацион-ность разработки, тем, во-первых, неопределен-ней границы целевых сегментов (из чего выте-кает опасность концентрации усилий на неверно определенном целевом рынке), а во-вторых, на ранних этапах жизненного цикла инновации це-левые сегменты характеризуются сравнительно малой емкостью (в силу консерватизма потен-циальных потребителей, неопределенности эко-номических результатов внедрения инноваций, особенно в силу высокой стоимости первона-

чальных затрат, связанных с внедрением инно-ваций);

- специфичность форм продвижения резуль-татов исследования. Приоритет, как правило, имеют персональные формы маркетинговых коммуникаций, демонстрация достоинств раз-работок.

Принимая во внимание вышесказанное, служба маркетинга и ценообразования должна выполнять следующие функции:

- информационные – создание системы кол-лективного пользования базами данных по ин-новационным научно-техническим разработкам, образовательным инновациям, товарам и услу-гам, представляемым НИО вуза различным ор-ганизациям, регулярное издание информацион-ных сборников по инновационным разработкам вуза, каталогов по отдельным инновационным темам (проблемам). В рамках данного направ-ления могут быть решены задачи по разработке, созданию, развитию и поддержанию соответст-вующего информационного интернет-портала;

- консалтинговые – консультирование по патентно-лицензионному праву, бизнес-планированию инновационных проектов, ин-формационным технологиям, финансовому ме-неджменту, оценке стоимости и стоимостному анализу;

- рекламные – выбор и обоснование наибо-лее эффективных методов организации рекла-мы, демонстрационные средства представления результатов научных исследований и функцио-нальных возможностей высокотехнологичного оборудования для потенциальных заказчиков, организация тематических экспозиций в демон-страционном центре НИО и на общероссийских выставках, подготовка рекламных материалов для участия в выставках и ярмарках, реклама инновационных разработок в интернете;

- финансовые – сметные расчеты по марке-тинговой деятельности, обоснование эффектив-ности маркетинговых программ и операций, разработка предложений по уровню цен на но-вые проекты, услуги и товары, составление шкал ценовых скидок и надбавок для конкрет-ных заказчиков;

- аналитические – реализация программ по выявлению возможности дополнительного ис-пользования имеющегося в НИО высоко-



Привлекательность

разработки

Наличие необходимых ресурсов

Качественная оценка целесообразности внедре-ния результатов научно-исследовательской раз-работки

технологичного и другого оборудования, а так-же недвижимого имущества в целях организа-ции доходоприносящего бизнеса при сохране-нии сформировавшегося профиля и имиджа НИО.

Особенностью организации инновационной и коммерческой деятельности в условиях вуза яв-ляется то, что многие виды работ сочетаются с образовательной деятельностью по повышению квалификации персонала, разработке высоко-эффективных методик обучения: тренингов, комплексных программ на электронных носите-лях, мультимедийных приложений, дистанци-онного обучения, передач обучающих программ через интернет. Целевой подготовкой кадров могут быть охвачены все уровни. Студенты, на-чиная с 3-4 го курса, могут качественно прохо-дить технологическую и преддипломную прак-тику. Аспиранты имеют возможность выпол-нить диссертацию как часть НИР на современ-ном оборудовании с внедрением результатов в промышленность. Специалисты с предприятий проходят обучение на системах и оборудовании, поставляемом на их предприятия, под руководством высококвалифицированных пре-подавателей – соавторов этих разработок.

Для оценки инвестиционной привлекатель-ности и целесообразности внедрения инноваци-онных разработок предлагается матрица «При-влекательность инновационной разработки» – «Наличие необходимых ресурсов». На основе двух критериев: привлекательности и ресурсо-обеспеченности – матрица позволяет получить качественное представление о целесообразности

развития и внедрения инновационной разработ-ки (см. рисунок).

Каждый из этих двух комплексных критериев оценки представляет собой взвешенную сумму множества субкритериев. Состав и важность от-дельных субкритериев выбираются в зависимо-сти от назначения, сферы применения и особен-ностей рассматриваемой разработки.

При определении критерия «Привлекатель-ность инновационной разработки» должны учитываться следующие субкритерии:

- новизна инновационной разработки (улуч-шение существующего продукта, интеграция существующих технологий в одном продукте, новые функции товара и методы производства, кардинальный прорыв, абсолютная новизна);

- ожидаемая прибыль, уровень доходности и срок окупаемости инвестиций;

- возможные риски при реализации иннова-ционного проекта, вероятность их возникнове-ния и потери;

- текущее состояние инновационной разра-ботки (идея, проект, действующая модель, опытный образец, опытное производство);

- возможность выхода на новые рынки сбыта или новые сегменты существующего рынка;

- применение инновационной разработки в продуктах и технологических процессах конку-рентов (отечественных и зарубежных);

- степень защищенности от подделки (заре-гистрированные или заявленные патенты или авторские права, производственные ноу-хау, на-личие зарегистрированного товарного знака, лицензии на производство и т.д.);

- необходимость организационной пере-стройки при внедрении разработки (например, при использовании новой конструкции режуще-го инструмента нет необходимости в организа-ционных изменениях, в то время как при вне-дрении системы САПР такие изменения носят кардинальный характер) и др.

При определении критерия «Наличие необ-ходимых ресурсов» принимаются во внимание следующие субкритерии:

- общие инвестиционные затраты (финансо-вые ресурсы);

- сроки внедрения инновационной разработ-ки (временные ресурсы);



- доступность источников материальных ре-сурсов (необходимые технологическое оборудо-вание, контрольно-измерительная и диагности-ческая аппаратура, дорогостоящие материалы, комплектующие изделия, инструменты и т.д.);

- доступность получения нематериальных ресурсов (необходимые патенты, лицензии, ноу-хау, сертификаты, другие разрешительные до-кументы, предусмотренные действующим зако-нодательством);

- потребность в энергоресурсах (электро-энергии, газе, топливе и т.д.);

- потребность в квалифицированных кадро-вых ресурсах и др.

В основе предложенной методики многокри-териальной оценки разработок лежит многофак-торная математическая модель, согласно кото-рой итоговая величина успешности разработки получается как средневзвешенная оценка разра-ботки по нескольким критериям с учетом их ве-сомости. Данные аналитические операции по-зволяют руководству НИО вуза выработать наиболее эффективную стратегию и программу научно-исследовательских инновационных ра-бот.

В то же время при значительном оснащении НИО дорогостоящим высокотехнологичным оборудованием неизбежно возникает вопрос: как добиться наиболее полной отдачи от экс-плуатации оборудования? Решением задачи служат результаты дополнительных маркетин-говых исследований и часто дополнительных работ по реконструкции оборудования и его до-оснащения. Такие работы не снижают научного потенциала оборудования, но одновременно при небольших затратах значительно повышают чистый доход от его применения. Дополнитель-ный чистый дисконтированный доход от ком-мерцализационного использования высокотех-нологичного оборудования равен валовому до-ходу за вычетом эксплуатационных затрат и ин-вестиционных затрат, связанных с реконструк-цией и дооснащением.

Работы по коммерцализации использования высокотехнологичного оборудования должны выполняться совместными усилиями работни-ков исследовательских подразделений и подраз-деления маркетинга и ценообразования. При этом наибольший результат можно ожидать от применения методологии стоимостного (функ-ционально-стоимостного) анализа. Сущность этой методологии состоит в том, что аналитиче-

ская группа специалистов выявляет все функции конкретного оборудования: которые оно уже выполняет и те, которые может выполнять.

Выявленные дополнительные функции слу-жат базой для расширения сферы использования оборудования. Какие-то дополнительные функ-ции уже имеются у анализируемого оборудова-ния, а какие-то функции можно придать этому оборудованию путем конструктивных измене-ний и (или) оснащения дополнительными уст-ройствами. Затем определяют практическую по-лезность дополнительных функций, а также за-траты на создание этих функций и их реализа-цию. В итоге составляется бизнес-план сопутст-вующего инвестиционного проекта с отражени-ем в нем источников доходов и затрат, а также показателей экономической эффективности (до-полнительный чистый дисконтированный до-ход, индекс доходности, внутреннюю норму до-ходности и дисконтированный срок окупаемо-сти). Если дополнительная область использова-ния носит инновационный характер, то необхо-димы оценка и анализ рисков.

Рекомендации по развитию коммерциализа-ционных процессов в научно-исследовательской организации вуза изложены в концептуальном виде. В дальнейшем предполагается опробовать изложенные подходы в деятельности Государ-ственного исследовательского центра (ГИЦ) при МГТУ «Станкин». Работы в данном направле-нии повысят эффективность деятельности ГИЦ при малых затратах.


1. Шукшунов В.Е. Коммерциализация интел-лектуальной собственности и трансферт технологий. М.: ЮРГТУ, 2005. 32 с.

2. Ковалев А.П., Рыжова В.В. Основы стоимо-стного анализа. М.: Финансы и статистика, 2007. 208 с.

3. Ковалев А.П. Теория управления корпоратив-ным имуществом. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2008. 312 с.

4. Ковалев А.П. Управление имуществом на предприятии. М.: Финансы и статистика, ИНФРА-М, 2009. 272 с.

5. Управление и коммерциализация результатов научных исследований в университетах // Сб. мат-лов семинара-совещания: Инновационная деятель-ность высшей школы в 2003 году. М.: Сейдин, 2004.

6. Кортов С.В., Зеткин А.С. Оценка инвестици-онной привлекательности инновационных научно-технических проектов. СПб.: 2003 (Серия «Иннова-ционная деятельность»). Вып. 21. 53 с.



Работа выполнена на кафедре «Производственный менеджмент» ГОУ ВПО МГТУ «Станкин».

Ковалев Анатолий Павлович - д-р экон. наук профессор, заведующий кафедрой. (499) 972-94-81, [email protected] Закшевская Наталья Николаевна - старший преподаватель. (499) 972-94-81, [email protected] Kovalev A. P. - head of department «Productive management» SEE HPE MSTU Stankin, doctor of econ-omy, Professor. (499) 972-94-81, [email protected] Zakshevskaya N. N. - senior teacher of department «Productive management» SEE HPE MSTU Stankin. (499) 972-94-81, [email protected]

УДК 658.51 А. А. Корниенко

A.A. Kornienko

Технологическое перевооружение машиностроительного предприятия: выбор стратегии развития парка оборудования

Retooling machine-building with respect to the company: choice of development strategy of the park equipment Рассмотрены основные направления развития парка технологического оборудования, введено понятие гар-

монизации парка, что предусматривает его адаптацию к изменяющейся производственной программе. Выяв-ленны связи маркетинговых стратегий предприятия и стратегий развития парка технологического оборудования, проведена классификация и дано описание основных стратегий развития парка.

The article considers main directions of development of the production equipment stock, introducesthe conception of stock harmonization – which means adapting to the changes of production program/ The autor finds the connections be-tween the marketing strategies of enterprise and the strategies of development of the production equipment stock, classifies and describes main strategies of stock development.

Ключевые слова: коммерциализация; научно-исследовательская, инновационная и маркетинговая дея-тельность; инвестиционная привлекательность.

Key words: commercialization, research, innovative and marketing activity, investment appeal.

Управление парком предприятия на стадиях его жизненного цикла направлено на повыше-ние эффективности деятельности предприятия. На макроуровне управление парком направлено на обеспечение выполнения производственной программы и повышение конкурентоспособно-сти предприятия; на микроуровне эти цели мо-гут быть детализированы следующим образом:

- повышение производственной мощности;

- гармонизация парка; - ресурсосбережение в процессе эксплуата-

ции парка; - повышение (стабилизация) стоимости пар-

ка. Повышение производственной мощности R

может быть достигнуто благодаря увеличению числа единиц оборудования в парке N, произво-дительности оборудования P, номинальному

Технологическое перевооружение машиностроительного предприятия…


фонду времени Fн и коэффициенту использова-ния Кисп.

R= N·P·Fн·Кисп.

Зависимость от этих параметров носит ли-нейный характер, а повышение каждого из них способствует повышению производственной мощности.

Гармонизация парка предусматривает приве-дение в соответствие машиноёмкости производ-ственной программы (с детализацией по видам обработки и размерам деталей) и производст-венной мощности парка с аналогичной детали-зацией.

Отношение элементов матрицы машиноём-кости к аналогичным элементам матрицы про-изводственной мощности позволяет выявить перегруженные и недогруженные элементы парка. Для повышения степени загрузки обра-ботка может проводиться на более тяжёлых ти-поразмерах, перегрузка может быть устранена

введением в парк дополнительного оборудова-ния, повышением его производительности или улучшением использования.

Задача ресурсосбережения предусматривает сокращение затрат на создание и эксплуатацию парка, ограничение численности персонала и занимаемой площади.

Взаимосвязи целей предприятия, требований к парку и характеристик парка, обеспечиваю-щих выполнение требований, представлены в табл. 1.

Проведенные обследования ряда предпри-ятий показали, что они обладают достаточно крупными парками оборудования, однако обо-рудование в них в значительной степени мо-рально устарело и физически изношено; имеется значительный дефицит производственного пер-сонала, загрузка оборудования низкая. Пред-приятия не имеют достаточных средств для ре-новации имеющегося парка.

1. Взаимосвязь целей предприятия и требований к парку

Цель предприятия

Способы достижения

цели

Действующие факторы

Требования к парку

Характеристики парка, обеспечивающие

выполнения требований

Рост объёмов реализации

Рост объёмов производства

Выполнение объёма работ

Производственная мощность Степень загрузки

Повышение качества

Точность об-работки

Технологическая структура Техническое обслуживание

Снижение себестоимости

Снижение затрат на эксплуата-цию и рено-

вацию

Возрастная структура Технологическая структура

Получение максималь-ной прибыли

Повышение конкуренто-способности продукции

Освоение новых видов продукции

Освоение новых тех-процессов

Гибкость Технологическая структура

Повышение устойчивости предприятия

Повышение стоимости предприятия

Повышение стоимости ма-териальных активов

Повышение стоимости парка

Возрастная структура Износ



Вследствие этих причин возникает ряд опти-мизационных задач, связанных с реновацией парка в условиях существующих ограничений:

- повышение фактической производственной мощности в условиях ограничений расходов на закупку нового оборудования и численность персонала;

- уменьшение численности персонала при сохранении производственной мощности и ог-раничении средств на приобретение оборудова-ния;

- сокращение затрат на реновацию парка при сохранении производственной мощности и ог-раничении численности персонала.

Введём следующие обозначения: N – число единиц оборудования в парке (в

натуральном выражении); ΔN - число единиц оборудования, выведен-

ных из парка; Nн - число единиц нового оборудования, вве-

дённых в парк; P - средняя производительность оборудова-

ния в парке (в деталях-представителях в час); Kp - коэффициент повышения производи-

тельности оборудования, вводимого в парк, по отношению к средней производительности обо-рудования в парке;

F - годовой фонд времени при односменной работе (в часах);

Kсм – среднее значение коэффициента смен-ности, которое обеспечивается при имеющейся численности персонала;

S - средняя стоимость оборудования в парке (с учётом износа);

Ks - коэффициент повышения стоимости но-вого оборудования по сравнению со стоимостью оборудования в парке;

M - численность персонала; R - фактическая производственная мощ-

ность(в деталях-представителях в год); З - затраты на реновацию парка. Фактическое значение производственной

мощности парка определяется из выражения:

R= N·P·F·Kсм.

Рассматриваем задачу максимизации про-изводственной мощности в условиях ограни-чений на затраты и численность персонала

R → max, З ≤ [З]; M≤ [M].

Предлагается два решения задачи. ● 1. В имеющийся парк вводится Nн единиц

нового оборудования. Новое значение производственной мощности

составит: Rн = (N·P+Nн·P·Kp)·F·Kсм,

Ограничение по затратам имеет вид

Nн≤ ([З]/(S·Ks)).

Считая, что персонал используется для об-служивания оборудования парка (многостаноч-ное обслуживание не учитывается), ограничения по персоналу определяются из выражения

[M] ≤ (N+Nн)·Kсм

● 2. Предусматривается вывод и реализация из парка части старого оборудования ΔN и заме-на его новым Nн, обладающим более высокой производительностью.

Производственная мощность составит:

Rн = ((N-ΔN)·P+Nн·P·Kp)·F·Kсм

Учитывая, что выводимое из парка оборудо-вание реализуется по остаточной стоимости, ог-раничение по затратам:

Nн≤ ([З]/( S·(Ks-1)).

Так как эксплуатируемое в парке оборудова-ние весьма изношено, значения коэффициентов

Ks= 5…15, Kp= 2…5.

Задача минимизации численности персо-нала при сохранении производственной мощ-ности и ограничениям по затратам:

M→min, З≤ [З]; Rн = [R].

Минимизация численности может быть дос-тигнута только при выведении из парка старого оборудования и замены его на новое

M= (N- ΔN+ Nн)·Ксм.

Ограничения по производственной мощности

Rн =[R] = ((N- ΔN )·P+ Nн·P·Kp)·F·Kсм).

Ограничения по затратам

Nн≤ ([З] /( S·( Ks-1)).



Минимизация затрат при сохранении про-изводственной мощности реализуется при заме-не части старых станков парка на новые:

З→min, Rн = [R ].

Ограничения по численности персонала не рассматриваются, так как она остаётся неизмен-ной.

Рассматриваем ситуацию, когда из парка вы-водится часть старого оборудования при замене его на новое.

Расчётные зависимости имеют вид:

(Nн·S·Ks - ΔN·S) →min;

[R] = ((N- ΔN )·P+Nн·P·Kp)·F·Kсм).

В качестве целей предприятия рассматрива-ются:

- получение максимальной прибыли от про-изводственной деятельности предприятия;

- удовлетворение потребности общества в определённом виде товара или услуги;

- обеспечение занятости в регионе или от-расли.

Первые две цели могут быть достигнуты в рамках маркетинговой политики предприятия, ориентирующей его на выпуск пользующейся спросом рентабельной продукции. Маркетинго-вая политика предусматривает повышение кон-курентоспособности предприятия в целом и продукции в частности. Исходя из классифика-ции способов конкурентной борьбы Л. Г. Рамен-ского, различаются следующие стратегии обес-печения конкурентоспособности организации:

- виолентная; - патиентная; - коммутантная; - экспелерентная. Виолентная стратегия предполагает массо-

вое производство и поставку на рынок продук-ции приемлемого для потребителей качества при низких издержках производства, что позво-ляет производителям устанавливать невысокие цены в расчете на значительный объем спроса. Виолентную стратегию способны проводить крупные организации с устойчивой репутацией, постепенно овладевшие значительными сегмен-тами рынка.

Патиентная стратегия рассчитана на завое-вание и удержание относительно узких рыноч-ных ниш, в пределах которых реализуются экс-клюзивные товары специального предназначе-ния и высокого качества. Производители и про-давцы таких товаров реализуют их на рынке по высоким ценам в расчете на состоятельных по-купателей, что дает возможность при неболь-ших объемах продаж получать высокий доход и значительную прибыль. Конкурентоспособность достигается изысканностью товара, удовлетво-ряющего вкусам и запросам, показателями каче-ства, превосходящими качество аналогичных товаров конкурентов.

Коммутантная стратегия призвана удовле-творять не редкие, а быстро изменяющиеся, кратковременные нужды потребителей в това-рах и услугах. Поэтому коммутантная стратегия характеризуется, прежде всего, высокой гибко-стью, что предъявляет особые требования к пе-рестройке производства на выпуск периодиче-ски обновляемой продукции. Обычно такой стратегии придерживаются неспециализирован-ные организации с универсальными техноло-гиями и ограниченными объемами производст-ва, когда при осуществлении данной стратегии не ставится задача достижения высокого каче-ства и продажи по высоким ценам.

Экспелерентная стратегия опирается на дос-тижение конкурентных преимуществ организа-ции посредством конструктивных и технологи-ческих инноваций, позволяющих опережать конкурентов в выпуске и поставке на рынок принципиально новых видов продукции за счет вложения капитала в многообещающие, но рис-кованные инновационные проекты. Такие про-екты в случае успешной реализации позволяют не только превзойти соперников по качеству представленной на рынке продукции, но и соз-давать новые рынки, где в течение определенно-го времени они могут не опасаться конкурен-ции, поскольку являются единственными произ-водителями уникального продукта. Реализация такой стратегии требует наличия крупного на-чального капитала, научно-производственного потенциала и персонала высокой квалификации

Задачей парка технологического оборудова-ния является обеспечение выпуска продукции, соответствующей выбранной стратегии. В каче-



стве основных характеристик парка, обеспечи-вающих реализацию стратегии, приняты:

1) производительность, обеспечивающая вы-пуск определённых объёмов продукции в еди-ницу времени;

2) гибкость, обеспечивающая возможность перехода на выпуск новых видов продукции в минимальное время. Применительно к отдель-ной единице оборудования мерой гибкости яв-ляются затраты времени и средств на его пере-наладку;

3) качество продукции, достигаемое благо-даря высоким техническим параметрам обору-дования, квалификации персонала, соблюдени-ем технологии изготовления продукции и рег-ламентов обслуживания оборудования. За меру качества может быть принято отклонение фак-тических параметров изделия (детали) от задан-ных. Для металлообрабатывающего оборудова-ния важнейшим показателем качества является точность обработки.

Приоритеты характеристик парка для реали-зации маркетинговой стратегии и способов их

повышения представлены в табл. 2 и 3 соответ-ственно.

На основании проведенного анализа рас-смотрим возможные стратегии развития парка, обеспечивающие достижение поставленных це-лей. Предлагаются следующие способы класси-фикации стратегий:

1) по охвату элементов парка - т.е. примене-ние стратегий для отдельных видов и типов оборудования иди в целом для всего парка;

2) по способам реализации - выделение ре-новационных стратегий, которые предусматри-вают пополнение парка новым оборудованием, и консервационных стратегий, ориентирован-ных на улучшение технического состояния имеющегося в парке оборудования;

3) реновационные стратегии делятся на ин-тенсивные, предусматривающие замену уста-ревшего оборудования парка на новое, и экстен-сивные, направленные на расширение парка, благодаря введению в него нового оборудова-ния.

2. Приоритеты характеристик парка для реализации маркетинговой стратегии

Приоритет характеристик парка Маркетинговая стратегия пред-

приятия Главный Дополнительный Второстепенный

Виолентная Производительность Качество продукции Гибкость

Патиентная Качество продукции Гибкость Производительность

Коммутантная Гибкость Качество продукции Производительность

Экспелерентная Гибкость Качество продукции Производительность

3. Способы повышения характеристик парка

Цель

Пути повышения характеристик Повышение производи-тельности

Повышение гибкости

Повышение качества продукции

Пополнение новым оборудованием Возможно Возможно Возможно

Замена используемого оборудования новым Возможно Возможно Возможно

Модернизация оборудования Возможно Возможно Возможно

Повышение доли универсального оборудования Невозможно Возможно Невозможно

Улучшение использования оборудования Возможно Невозможно Невозможно



Классификация стратегий

Принятая классификация парка приведена на рисунке.

Приводим характеристики принятых стратегий:

1. Интенсивная инноваци-онная стратегия предусматрива-ет замену оборудования в парке на оборудование новых конст-рукций, более совершенное, чем эксплуатируемое в парке. Возрас-тают производительность парка, его гибкость и качество выпус-каемой продукции, однако необ-ходимо понести значительные затраты, связанные с приобрете-нием нового оборудования (за-траты могут быть уменьшены за счёт продажи списываемого обо-рудования).

2. Интенсивная традицион-ная стратегия предусматривает замену оборудования в парке на аналогичное новое. Производительность и каче-ство выпускаемой продукции возрастают вменьшей мере, чем при реализации предыду-

щей стратегии, гибкость остаётся прежней, а затраты, связанные с приобретением нового оборудования, становятся меньше.

4. Сопоставление приоритетов маркетинговых стратегий и стратегий развития парка

Ранжирование характеристики парка Стратегия разви-

тия парка Производительность Гибкость Качество

Маркетинговая стратегия

Интенсивная инновационная

3 2 1 Экспелерентная, патиентная

Интенсивная традиционная

2 1 3 Патиентная

Экстенсивная инновационная

1 3 2 Виолентная

Экстенсивная традиционная

1 2 3 Виолентная

Активная кон-сервационная

2 1 3 Патиентная, коммутантная

Пассивная кон-сервационная

3 1 2 Коммутантная



3. Экстенсивная инновационная страте-гия предусматривает пополнение парка новым оборудованием новых конструкций. Произво-дительность растёт в наибольшей степени, рост качества и гибкости сопоставим со стратегией интенсивной инновации, но затраты значитель-ны, так как оборудование из парка не списыва-ется и не продаётся.

4. Экстенсивная традиционная стратегия предусматривает пополнение парка новым ана-логичным оборудованием. Производительность растёт в значительной степени, рост качества и гибкости сопоставим с интенсивной традици-онной стратегией, но затраты значительны, так как оборудование из парка не списывается и не продаётся.

5. Активная консервационная стратегия предусматривает модернизацию имеющегося в парке оборудования. Модернизация направлена на повышение основных характеристик парка (производительность, гибкость, качество про-дукции). Стратегия менее затратна, чем ренова-ционные стратегии, однако модернизация не позволяет кардинально повысить характеристи-ки парка.

6. Пассивная консервационная стратегия предусматривает капитальные ремонты имею-

щегося в парке оборудования, без улучшения его характеристик, а лишь консервируя имею-щееся состояние.

С точки зрения потребности в персонале, наиболее трудозатратными являются экстен-сивные стратегии, наименее трудозатратными - интенсивные.

Сопоставление меркетинговых стратегий предприятия и стратегий развития парка техно-логического оборудования представлены в табл. 4.

Таким образом, исходя из выбранной марке-тинговой стратегии предприятия, могут быть определены приоритеты развития парка техно-логического оборудования, что реализуется при технологическом перевооружении машино-строительного предприятия.


1. Корниенко А.А. Управление развитием парка технологического оборудования. М.: Янус-М, 2006. 154с.

2. Корниенко А.А., Козочкин М.П., Бойм А.Г., Гриценко И.В. Конкурентоспособность и востребованность отечественного станкострое-ния // Металл-оборудование-инструмент. 2004. №1. С. 8-11.

Корниенко Александр Александрович – д-р техн. наук профессор, заведующий кафедрой «Эконо-мика и управление предприятием». (499) 972-94-70 [email protected] Kornienko Alexander Aleksandrovich – a dr. sci. tech. the professor managing chair «Economy and op-eration of business» MGTU "Stankin". (499) 972-94-70 [email protected]

Промышленные предприятия в условиях нестабильного рынка труда…


УДК 658.5; 658.012.2 Е.Д. Коршунова, А.В. Меркулов

E.D. Korshunova, A.V. Merkulov

Промышленные предприятия в условиях нестабильного рынка труда: выбор неустойчивой формы занятости

The industrial enterprises in conditions astable labor market: choice of the unstable form of employment В настоящее время все больше российских предприятий стали применять неустойчивые формы занятости

(аутстаффинг, аутсорсинг, лизинг персонала и временный персонал). В статье представлен разработанный метод выбора неустойчивой формы занятости для промышленного предприятия, поддерживающий цели и стратегию его развития по направлению обеспечения квалифицированным персоналом в условиях нестабильного рынка труда.

For today more and more the Russian enterprices began to apply unstable forms of employment (outstaffing, out-sourcing, leasing of the personel and the temporary personnel). In articlethe developed method of choice of the unstable form of employement for the industrial enterprice, supporting the purposes and strategy of it’s development in a direction of maintenance by qualified personnel in the conditions of an astable labor market is presented.

Ключевые слова: управление персоналом, кадровая политика, аутстаффинг, аутсорсинг.

Key words: staff management, personnel policy, outstaffing, outsourcing.

Современные российские промышленные предприятия развиваются в гипертурбулентной внешней среде, основной характеристикой кото-рой является то, что изменения внешней среды превышают способность людей приспосабливать-ся и создавать новые организации. Этот тип среды характерен для условий экономического кризиса, в котором сейчас находятся практически все стра-ны. Жесткие финансовые ограничения обостряют проблему кадрового обеспечения и управления персоналом предприятий. Многие руководители предприятий вынуждены отказаться от использо-вания принципа отношения к персоналу как к ка-питалу и вернуться к управлению персоналом на основе отношения к нему как к ресурсу или как к издержкам. Следовательно, в современных усло-виях наиболее эффективной является (на взгляд автора) использование стратегии гибкости в обес-печении предприятия персоналом. Данная страте-гия предполагает замену традиционной модели постоянной занятости персонала на смешанную модель занятости, в которой выделяются постоян-ные «стержневые группы» и переменные перифе-рийные группы персонала, а также части функций

выполняются внешними компаниями или работ-никами. Реализация стратегии гибкости обуслов-ливает необходимость применения заемного тру-да, к которому относятся неустойчивые формы занятости.

Так, в США число лиц, нанятых через частные агентства занятости, в 2002 г. составило 10 млн человек. В странах ЕС лизинговые фирмы трудо-устраивают до 7 млн работников в год. Во Фран-ции темпы роста численности заемных работни-ков за последние годы в 13 раз превышали темпы роста рабочей силы, нанимаемой непосредственно работодателями. Мировая практика показала, что значительная часть временных заемных работни-ков (не менее одной трети) по завершении вре-менной работы принимается в штат предприятия-пользователя. В этом случае заемный труд пре-вращается в «ступеньку» к постоянной занятости, а в ряде случаев предприятия-пользователи, нани-мая через лизинговые агентства заемных работни-ков, с самого начала рассматривают их как канди-датов на замещение вакансий в будущем. В ходе временной работы испытываются и совершенст-вуются профессиональные качества лиц, которые



могут занять постоянные штатные должности на предприятии-пользователе.

Неустойчивые формы занятости, широко рас-пространенные во всем мире, долгое время оста-вались невостребованными в России. Сегодня эксперты российского рынка труда полагают, что за данной технологией найма рабочей силы стоит большое будущее. Свидетельством востребован-ности неустойчивых форм занятости служат еже-годно увеличивающиеся темпы их развития.

Использование и развитие заёмного труда в РФ сдерживается рядом факторов:

- неизученными остаются механизмы взаимо-действия участников неустойчивых форм занято-сти, их права и обязанности и т.п.;

- проблемными остаются вопросы регулирова-ния деятельности агентств занятости, способы их включения в осуществление политики занятости;

- Российское трудовое законодательство не предусматривает использование неустойчивых форм занятости, хотя и не запрещает подобного рода практику, что в значительной степени сни-жает эффективность применения неустойчивых форм занятости в России.

Неустойчивые формы занятости представляют собой разновидность работы по срочным трудо-вым договорам, договорам подряда, возмездного оказания услуг и пр. Специфика неустойчивых форм занятости заключается в том, что работники нанимаются в коммерческую фирму (кадровое агентство) в целях предоставления их в распоря-жение третьей стороны (предприятие), которая устанавливает им рабочие задания и контролирует их выполнение. В более упрощенном варианте содержание неустойчивых форм занятости опре-деляется как финансовая аренда сотрудников - заключение договора о долгосрочной или кратко-срочной аренде персонала, в соответствии с кото-рым предприятие-заказчик на протяжении огово-ренного срока выплачивает провайдеру плату за временное владение и пользование услугами и компетенцией предоставленного персонала. Рас-ширенной неустойчивой формой занятости явля-ется аутсорсинг, когда предприятие передает ка-кую-либо из своих функций, не являющуюся про-фильной, внешней организации. Предприятие-заказчик покупает услугу, а не труд конкретных работников, при этом работник состоит в трудо-вых отношениях с провайдером, хотя трудится на территории предприятия-заказчика с использова-нием его оборудования и в его интересах. Напри-мер, охранные предприятия берут на себя обязан-

ность охранять помещение, транспортные пред-приятия предоставляют услуги водителей, ауди-торские фирмы берут на себя выполнение функ-ций бухгалтерии и т.д.

Проведенные исследования позволили выявить две группы преимуществ, которые получает про-мышленное предприятие при использовании сме-шанной модели кадрового обеспечения, т.е. когда используются неустойчивые формы занятости. Первая группа преимуществ связана с возмож-

ностью для руководства «не отвлекаться» на управление обслуживающими функциями и вследствие этого уделять больше внимания ос-новному бизнесу компании. Неустойчивые формы занятости позволяют решить проблемы с привле-чением, обучением и удержанием квалифициро-ванного персонала, а также с непрерывностью бизнес-процессов: персонал на время отпуска, бо-лезни, обучения заменяется поставщиком услуг. Кроме того, появляется гибкость в управлении ресурсами – предприятие может оперативно изме-нять численность персонала при изменении си-туации на рынке, перепрофилировании деятельно-сти, сокращении объемов производства и т.п. Преимуществами также являются возможность использовать «чужой» высокопрофессиональный опыт, накопленный при решении аналогичных задач, и постоянный доступ к новым технологиям и знаниям.

Компания-провайдер, специализирующаяся на предоставлении услуг неустойчивой занятости того или иного вида, первой сталкивается с возни-кающими проблемами в данной области и осуще-ствляет инвестиции в разработку новых техноло-гий решения задач, в повышение квалификации своего персонала. Неустойчивые формы занятости могут позволить компании-заказчику услуги вос-пользоваться ресурсами, доступ к которым в про-тивном случае был бы невозможен, например при расширении географии деятельности фирмы или создании новой компании. Вторая группа преимуществ заключается в пе-

реложении ответственности за организацию учета и корректность его ведения на компанию-провайдер. Возмещение убытков, связанных с ошибками в расчете налогов или с несвоевремен-ным предоставлением отчетности, происходит за счет компании-провайдера услуг или по страхо-вому договору (как правило, бухгалтерские и ау- диторские фирмы страхуют свою профессиональ-ную ответственность).



Несмотря на все перечисленные выше достоин-ства, неустойчивые формы занятости еще не на-шли широкого применения в РФ. Опрос руково-дителей ряда промышленных предприятий пока-зал, что они не только недостаточно осведомлены о существующих формах неустойчивой занятости, но и не имеют технологий, позволяющих обосно-ванно выбрать ту или иную форму неустойчивой занятости.

Представлен разработанный авторами метод выбора неустойчивой формы занятости для про-мышленного предприятия.

Рассмотрим последовательность проведения выбора неустойчивой формы занятости.

● Первый этап - идентификация ситуации, т.е. задаются цели и стратегия развития, а также определяются ограничения по времени и объему финансирования, выделяемого на кадровое обес-печение.

● Второй этап - формирование номенклату-ры оценочных показателей. Был сформирован типовой перечень из 50 показателей, наиболее значимых для работодателя, которые разбиты на десять групп. Данный перечень был представлен 30 респондентам (директорам, акционерам и глав-ным инженерам) 22 строительных компаний. Ка-ждый участник проводимого опроса выбирал по-казатели и давал балльную оценку их значимости для кадрового обеспечения персоналом на собст-венном предприятии в сложившихся условиях. На основании результатов проведенного опроса ме-тодом парных сравнений были выбраны восемь показателей:

1) решение стратегических задач предприятия; 2) квалификация персонала; 3) фонд оплаты труда; 4) обеспечение гибкости в управлении персо-

налом; 5) качество работы персонала; 6) интеграция персонала в корпоративную

культуру; 7) возможность самореализации персонала; 8) решение социальных проблем коллектива; ● Третий этап - выбор наиболее значимых

для конкретной ситуации показателей и установ-ление правил интерпретации результатов.

Например, на основании экспертной оценки отобраны шесть взаимозависимых показателей, которые были объединены в пары:

- пара 1 – стратегические цели предприятия и гибкость в управлении персоналом;

- пара 2 – фонд оплаты труда и квалификация персонала;

- пара 3 – возможность самореализации персо-нала и интеграция персонала в корпоративную культуру.

По каждой паре показателей группа экспертов-оценщиков фиксирует в опросном листе качест-венную и количественную характеристики оцени-ваемых видов неустойчивой формы занятости, ко-торые отражают его значение. Количественное значение оцениваемых показателей определяется по шкале в диапазоне 0…10.

В данном случае предлагается сформировать пять уровней значений оцениваемых показателей. Первый уровень для первой пары (стратегиче-

ские цели предприятия и гибкость в управлении персоналом) характеризуется отсутствием страте-гического планирования на предприятии и как следствие, отсутствием гибкости в управлении кадровым обеспечением предприятием (соответ-ствует оценке в диапазоне 0…1). Второй уровень характеризуется состоянием,

когда на предприятии стратегические планы со-ставляются периодически по распоряжению выс-шего руководства, контроль за реализацией стра-тегического плана осуществляет руководитель организации и, как следствие, гибкость в обеспе-чении персоналом становится выше, так как за-благовременно можно прогнозировать потреб-ность в персонале (соответствует оценке в диапа-зоне 1…3). Третий уровень характеризуется состоянием,

когда на предприятии существует устная догово-ренность между менеджерами высшего уровня о выполнении на регулярной основе отдельных функций по стратегическому планированию. Кон-троль за реализацией стратегического плана осу-ществляет руководитель организации, и, как след-ствие, еще в большей степени повышается гиб-кость в кадровом обеспечении за счет более точ-ного прогноза потребности в персонале по раз-личным функциональным направлениям деятель-ности (соответствует оценке в диапазоне 3…6). Четвертый уровень характеризуется состояни-

ем, когда на предприятии отдельные функции по стратегическому менеджменту закреплены в должностных инструкциях руководителей высше-го звена, но системы стратегического менеджмен-та на предприятии не существует и, как следствие, уровень гибкости в кадровом обеспечении стано-вится выше, так как планирование потребности в



персонале по различным направлением деятель-ности осуществляется на регулярной основе в рамке служебных обязанностей (соответствует оценке в диапазоне 6…8). Пятый уровень характеризуется состоянием,

когда на предприятии существует специальное подразделение (сотрудник), ответственное за раз-работку и реализацию стратегического плана раз-вития предприятия и, как следствие, степень гиб-кости в кадровом обеспечении максимальная, так как на регулярной основе проводятся планирова-ние, мониторинг и контроль потребности в персо-нале по всем функциональным направлениям дея-тельности (соответствует оценке в диапазоне 8…10). На основе полученных оценок по каждой паре показателей строится матрица. В каждой матрице определяются границы применимости неустойчивой формы занятости.

● Четвертый этап - выбор неустойчивой формы занятости. Для выбора неустойчивой фор-мы занятости необходимо осуществить ранжиро-вание построенных матриц. Ранжирование матриц осуществляют эксперты-оценщики. Далее прово-дится пошаговая процедура выбора неустойчивой формы занятости по заданной последовательности матриц. Если в выбранном поле итоговой матри-цы присутствуют более одной неустойчивой фор-мы занятости, то эксперт-оценщик проводит оценку дополнительных специфических для дан-ного предприятия показателей и по результатам их оценки окончательно выбирает неустойчивую форму занятости.

На рисунке представлены матрицы, по которым предлагается осуществлять выбор неустойчивой формы занятости.

Анализ матрицы на рисунке (а) показывает, что наименее требовательной к гибкости персонала является аутсорсинг, но при этом уровень разви-тия стратегического планирования на предпри-ятии должен быть достаточно высоким. Промежу-точной формой неустойчивой занятости является лизинг персонала - его использование целесооб-разно при средних значениях показателей. Наибо-лее требовательной формой является аутстаф-финг, поскольку он предполагает долгосрочные и доверительные отношения с компанией-провайдером.

Анализ матрицы на рисунке (б) показывает, что наиболее требовательными формами неустойчи-вой занятости к фонду оплаты труда являются аутсорсинг и аутстаффинг. Это связано с привле-

а)

б)

в)

Матрица выбора формы неустойчивой занятости по паре показателей: а - стратегические цели предприятия - гибкость в управлении персоналом; б - фонд оплаты труда - квалификация персонала; в - возможность самореа-лизации персонала - интеграция персонала в корпо-ративную культуру



чением более квалифицированного персонала на более длительный период, чем временный персо-нал и лизинг.

Анализ матрицы на рисунке (в) показывает, что наименее требовательной формой неустойчивой занятости с точки зрения возможности самореали-зации персонала и, как следствие, к интеграции в корпоративную культуру является форма «временный персонал». Это обусловлено кратко-срочным характером работы персонала на предприятии-заказчике. Аутсорсинг предоставля-ет большие возможности с точки зрения самореа-лизации, но не требует высокого уровня интегра-ции в корпоративную культуру предприятия-заказчика, так как сотрудники работают за преде-лами предприятия-заказчика на своих рабочих местах. Лизинг персонала охватывает достаточно большое поле на матрице и его использование имеет достаточно большой временной разброс ра-боты персонала на предприятии-заказчике; чем больший период он охватывает, тем требуется большая степень вовлеченности заемного персо-нала в корпоративную культуру. Наиболее требо-вательным к оцениваемым показателям является аутстаффинг, что обусловлено длительным ха-рактером трудовых отношений и полным погру-жением заемных работников в деятельность, цели и задачи предприятия-заказчика заемного персо-нала.

Современный этап развития РФ связан с новым взглядом на рабочую силу как на один из ключе-вых ресурсов экономики. Этот новый взгляд - свидетельство реального роста роли человеческо-го фактора в условиях модернизации экономики, когда налицо прямая зависимость результатов производства от качества, мотивации и характера использования рабочей силы в целом и отдельного

работника в частности. Предприятие конкуренто-способно, если на нем работают конкурентоспо-собные сотрудники, которых можно отнести к ка-тегории персонал-капитал. Каждое предприятие стремится привлечь к работе как можно больше таких сотрудников. Однако высококвалифициро-ванные специалисты «дорого стоят», выполняе-мые ими функции могут носить временный харак-тер и не требовать полной занятости. На рынке услуг есть фирмы, которые могут выполнить часть функций предприятия более качественно и с меньшими затратами для предприятий. В целях повышения конкурентоспособности предприятия должны использовать смешанные модели кадро-вого обеспечения. Разработанный метод позволит промышленным предприятиям обоснованно вы-бирать формы неустойчивой занятости и, тем са-мым, повысить адаптивность кадрового потен-циала к динамично изменяющимся условиям внешней среды.


1. Аникин Б.А., Рудая И.Л. Аутсорсинг и аут-стаффинг: высокие технологии менеджмента: Учеб. Пособие. М.: ИНФРА-М, 2007. 288 с.

2. Меркулов А.В. Метод выбора типа заемного труда //Инновации в экономике – 2009: материалы научной конференции молодых ученых и студентов. М: ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2009. С. 114-117.

3. Коршунова Е.Д., Меркулов А.В. Организа-ционное обеспечение квалифицированным персона-лом промышленных предприятий на основе аут-стаффинга: Экономика и управление в машино-строении, №5(11), 2010. С. 56-59.

4. Козина И.М. Заемный труд: социальные ас-пекты. // Социологические исследования, 2008, №11.

Коршунова Елена Дмитриевна – д-р экономич. наук профессор, декан факультета ЭМИТ. [email protected] Меркулов Алексей Викторович – аспирант факультета ЭМИТ. Korshunovz Elena Dmitrievna – the dean of faculty EMIT, Dr. of economies prof. [email protected] Merkulov Alexey Viktorovich – the post-graduate student.

СОЦИОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЛОСОФСКИЕ НАУКИ


УДК 13 А.И. Уваров

A.I. Uvarov

Философия планетарного разума (основные положения)

Philosophy of planetary reason (substantive provisions) Показано инновационное общество как основа творчества и как категория в формулировании стратегиче-

ского направления социума в осуществлении национальной идеи.

Showing an innovative company as the basis for creativity and as a category informulating the strategic direction of society in the implementation of the national idea.

Ключевые слова: инновация; социум; национальная идея; планетарный, разум.

Key words: innovation, society, national idea, planetary, mind.

Современная русская философия (в пред-

ставлении автора) - это философия планетарно-

го разума, философия глобализма. В статье сде-

лана попытка предложить её исходные положе-

ния.

Планетарный разум - это целостная структу-

ра духовного творчества человечества, многова-

риантная и многофункциональная. Своими ис-

токами она, по-видимому, уходит в Космос.

Планетарный разум динамичен и историчен. В

свое содержание он включает три основных

фрагмента: науку, искусство и религию, - кото-

рые в разные эпохи по-разному проявляли и

свой приоритет. Так, в период феодализма пре-

имущественной стороной у планетарного разу-

ма была религия, в настоящее время - наука.

Функцией, определяющей сущность плане-

тарного разума, является созидание - в первую

очередь инновация, т.е. творчество в подлинном

смысле этого слова.

В соответствии со структурой планетарный

разум имеет три основные категории:

- понятие, означающее научное познание;

- образ, характеризующий смысл искусства;

- веру, выражающую религиозное миропони-

мание, его иррациональный взгляд на природу и

общество.

Отсюда в качестве первого и определяющего

принципа философии планетарного разума,

принципа всеобщности выступает принцип уни-

версальной духовности «целостного», принцип

гармонии духовных сфер, их единства в творче-

ской созидательной деятельности людей. Это

своеобразный принцип Творца, т. е. то, что де-

лает человека человеком.

Исходным началом гармонии нередко бывает

Хаос, многообразие элементов, но затем благо-

даря эволюционному процессу на этой основе

формируется целостная относительно завер-

шенная конечная структура, означающая опре-

деленную временную устойчивость её, гармо-

нию этой структуры.

Гармония является главным условием жизни

любого организма. Нарушается его гармония -



разрушается и сам организм. Но, подчеркивая

позитивное в гармонии, следует учитывать и

негативное в этом явлении - гармония таит в

себе предпосылку к застою.

Гармония – это одно из проявлений единства

дифференциации и интеграции, важнейшей из

закономерностей, глобализации вообще. Не

случайно А.Паункаре полагал, что законы - это

наилучшее выражение внутренней гармонии

мира.

Планетарный разум фактически в значитель-

ной мере определяет глобальные процессы,

происходящие на Земле. Планетарный разум в

принципе меняет представления натурфилосо-

фии об устройстве мира, причем не только при-

роды, но и сущности социума, а также предпо-

лагает совершенно иные методологию и гносео-

логию, направленные на изучение более слож-

ных явлений, их адекватное понимание. В отли-

чие от прежней натурфилософии, порожденной

механикой Ньютона, натурфилософия плане-

тарного разума включает в свое содержание

понятие «время», что позволяет исследователю

рассматривать объект в развитии как эволюци-

онный процесс, связанный с пространством.

Пространство, время, движение оказываются

единым гносеологическим блоком.

Натурфилософия планетарного разума вклю-

чает в свое содержание также понятие жизни, не

противопоставляя органическое неорганическо-

му в мире, а напротив, рассматривая их в един-

стве. Это еще в большей мере усиливает инте-

гральность натурфилософии планетарного ра-

зума, и в этом смысле как бы на новой основе

возвращает науку к метафизике XVII века с её

целостным взглядом на природу. Этому способ-

ствует и развитие современной науки, в первую

очередь ее новой отрасли - нанотехнологии.

Само понятие «нано» в системе категорий

философии планетарного разума все больше

выполняет роль субстанции, по крайней мере в

гносеологическом отношении как исходной ос-

новы при анализе сложных глобальных про-

блем, выполняя важную роль в формировании

виртуального мира.

Подчеркивая значимость целостного подхода

в философии планетарного разума, не следует

забывать и о фрагментарности человеческого

познания, которая несколько смягчается искус-

ством и религией, их иррациональностью.

Фрагментарность лежит в основе плюрализма -

важнейшей стороны современного познаватель-

ного процесса. Передается фрагментарность в

познании дифференциацией форм сознания и

науки - формами изложения знания, т.е. языком

и письменностью.

Такой же важной чертой планетарного разу-

ма служит моделирование будущего развития

событий, с позиций которого оценивается на-

стоящее положение вещей. Отображение явле-

ний с учетом его прошлого и будущего создает

условия для более объективного понимания

предмета исследования, моделирования его как

открытой, незамкнутой системы, как конструк-

ции, которая также придает специфику натур-

философии планетарного разума наряду с при-

знанием её открытости.

Понятие «нано», будучи моделью предель-

ных абстракций, а также идеализацией, перево-

дит материю в числа, что придает современной

натурфилософии суперабстрактность и даже су-

пердуховность, что хорошо прослеживается на

примере русской философии, которая органи-

чески связана с художественной литературой.

Последнее отложило свой отпечаток на особен-

ность натурфилософии в русской философии,



больше ориентированной на искусство, чем на

естествознание.

Понятие «нано» является как бы атомом в

системе чисел, а все относительные числа - их

комбинациями. Современная натурфилософия

крайне математизирована, символизирована,

что сближает её с мировоззрением, которое не

сводится только к чисто научному знанию. Од-

нако самая существенная черта планетарного

разума и его натурфилософии заключается в

единстве мысли и действия, в его инновацион-

ности и мудрости.

Вторым принципом философии планетарного

разума является нелинейность - диалектика, ко-

торая представляет нелинейность в развернутой

форме как методологию философии планетар-

ного разума и характеризуется следующими по-

ложениями:

- единством эволюции и структуры,

- кооперацией рационального и иррацио-

нального,

- гносеологической рамочностью.

Единство эволюции и структуры выражает

особенность современного познания. В прежние

века ученые делали акценты либо на структуре

объекта, (например, в XVIII веке, когда форми-

ровались самостоятельные естественные и гу-

манитарные науки), либо на эволюции объекта

(как в XIX веке с абсолютизацией историческо-

го подхода во многих областях научных иссле-

дований). В современную же эпоху при резко

возросших сложных познавательных объектах

ученые вынуждены учитывать как эволюцию,

так и структуру объекта изучения. Это особенно

хорошо прослеживается на примере глобальных

процессов, их изучении.

Единство эволюции и структуры указывает

на преемственность нелинейной и традицион-

ной диалектик. И в том, и в другом случае под-

черкивается важность признания развития, но с

добавлением особого значения признания само-

развития в нелинейной диалектике, привнесен-

ного синергетикой.

Кооперация рационального и иррациональ-

ного как аспекта нелинейной диалектики указы-

вает на то, что она не может выступать в каче-

стве простого алгоритма в познавательном про-

цессе. Она предполагает использование иссле-

дователем умозрение, фантазию, личный и кол-

лективный опыт, т.е. иррациональные подходы,

что в определенной мере сближает её с искус-

ством и религией. Нелинейная диалектика на-

поминает античную диалектику, лишенную из-

лишней формализации, ориентированную на

эвристический характер, на связь с другими ме-

тодами исследования, даже просто на свободное

размышление.

Философский метод носит в силу своей при-

роды логико-интуитивный характер.

Нелинейная диалектика порождена совре-

менными глобальными условиями кооперации

западного и восточного стилей мышления, а

также линейных и нелинейных методов в со-

временном научном познании - это новый фор-

мирующийся философский метод как ответ на

запрос современной интегрирующейся науки,

когда синергетика (тем более такая отрасль, как

нанотехнологии) настойчиво требуют этого.

Она способствует выработке стратегии в реше-

нии проблем, способствует прогнозу, что и яв-

ляются ее функциями, но не исключает проти-

воположностей, их взаимодействие и борьбу, и

важнейшую роль выполняет кооперация как од-

но из условий гармонии в любом развивающем-

ся процессе.



Гносеологическая рамочность - как сторона

нелинейной диалектики - создает своеобразную

модель ограниченной достоверности, знания,

которое получается посредством применения

нелинейной диалектики, допускающей сочета-

ние рационального и иррационального в методе

познания объекта.

Гносеологическая рамка - это мера объектив-

ности полученного знания, его относительно-

сти, фрагментарности. Она определяет релятив-

ность знания и тем самым выступает как крите-

рий истины, особенно в социально-

гуманитарных науках, где её границы довольно

размыты. В исторических науках, где предме-

том может выступать исторический опыт, гно-

сеологическая рамочность может сказаться даже

на установлении исторических фактов, посколь-

ку исторический факт - это всего лишь логиче-

ская конструкция, воссозданная историком пу-

тем обработки сохранившихся материальных

свидетельств и письменных источников.

Подобное свойственно исторической науке

не только естественного, но и гуманитарного

профиля. Гносеологическая рамочность прису-

ща категориям философии, поскольку их обоб-

щения охватывают неограниченное количество

предметов, что приводит к потере определенной

специфики. Более того, распространяется это и

на онтологию в целом, которая, подобно учению

буддизма, отчасти полилогична (особенно в фи-

лософии глобализма, где субъект и объект взаи-

мосвязаны). Последнее влияет на природу исти-

ны философии - истины нанорационализма. Фи-

лософская истина не просто научная истина -

это духовная истина. Ее сущность определяется

синтезом науки, искусства и веры. Философская

истина порождена их обобщением, общим пред-

ставлением о мире. Она может включать в свое

содержание (помимо научных данных) аксиоло-

гический взгляд, нравственную оценку как вме-

сте, так и порознь.

Структура философского знания включает в

свой состав:

- матрицу, общечеловеческое знание,

- региональный или национальный аспект,

- знание поколения, смену гносеологической

моды.

Такая структура и будет составлять гносеоло-

гическую рамочную модель философской исти-

ны.

Третий принцип философии планетарного ра-

зума, планетарного рационализма, понятие ко-

торого шире понятия планетарного разума, со-

ставляет принцип глобальной инновационности.

Его сущность сводится к тому, что конечная

цель планетарного разума направлена на сози-

дание инновационного, а не просто информаци-

онного общества. Ведь знание состоит из двух

основных фрагментов: информации, т.е. в пер-

вую очередь отражение объектов реальности, и

инновации, т.е. творческого аспекта в познании.

Инновационное общество - это становящее-

ся общество будущего, общество мудрости.

Мудрость - это основа творчества, его перспек-

тива. Её особенность заключается в том, что она

многогранна, связана как с познанием, так и с

деятельностью людей, и реализует её. Поэтому

мудрость служит определяющей категорией в

формулировании стратегического направления в

развитии социума, выработке и осуществлении

национального идеала того или иного общества,

его национальной идеи.

Инновационное общество – общество феде-

рального типа, планетарного федерализма, где

господствующим сословием должна стать ин-

теллигенция. Будучи обществом разума, оно с



неизбежностью ориентировано на науку и обра-

зование.

Применительно к России национальная идея,

в представлении автора, заключается в следую-

щем. Развивая свою национальную самобыт-

ность, связанную прежде всего с наукой и обра-

зованием, Россия должна стремиться к тому,

чтобы стать полноценным глобальным субъек-

том. А это предполагает создание своеобразной

планетарной геоакадемии платоновского типа,

инновационной академии, где исследования и

образование синтезированы. Последнее в Рос-

сии необходимо не только для международного

престижа, но и для развития российского обще-

ства и государственной безопасности России.

Особенность национальной идеи заключается

в том, что она не просто представляет знание, а

цель общества, смысл его эволюции и прогрес-

са. Отсюда возникает активность цели как зна-

ния, связь его с деятельностью. Это же свиде-

тельствует о важности методологии, теории во-

обще в выработке национальной идеи и её осу-

ществлении.

Таким образом, мудрость выступает как ос-

новная категория планетарного разума, его фи-

лософии. Она воплощает его сущность, смысл,

квинтэссенцию его воззрения на глобальные

процессы. Она не только обща, но конкретна и

исторична. Ей всегда присуща авторская сторо-

на знания. Это воистину философское духовное

знание, его матрица, своими корнями уходящая

как в общечеловеческую культуру, так и нацио-

нальную.

С этой точки зрения инновационность при-

суща как раз русскому менталитету с его при-

родной народной мудростью, с его интуицией,

которая и придает мудрости творческий харак-

тер, а порой просто непредсказуемость в выво-

дах.

Если подвести итог вышеизложенным рассу-

ждениям, то можно сделать вывод, что эволю-

ция глобальной рациональности прошла сле-

дующие этапы.

Первый этап: эпоха глобальной проторацио-

нальности, когда рациональность носила син-

кретический недифференцированный характер.

Это во многом свойственно и сейчас восточно-

му мышлению.

Второй этап: он начинается с XVII и про-

должался до середины XX столетия. Это этап

классической рациональности с ярко выражен-

ным подходом линейности в познании. Данный

период оказался исключительно плодотворным

в развитии науки, особенно в области естест-

венных и технических исследований.

Третий этап - начало формирования гло-

бальной инновационной рациональности со

второй половины XX века.

Этому этапу присущи нелинейность, откры-

тость, творческий подход к решению сложных

глобальных задач, происходящих сложных про-

цессов в окружающей среде, а также способ-

ность к кооперации с различными методами ис-

следований, включая иррациональные. Послед-

нее свидетельствует о сближении западной ра-

циональности с восточным стилем мышления.

И одновременно указывает на изменения в фор-

мах научного мышления, в первую очередь тео-

ретического уровня, различного вида техниче-

ской рациональности.

Основу и специфику инновационной гло-

бальной рациональности составляет сочетание

логического мышления с образами, продуктами

художественного познания, которые и придают



ей особую эвристичность и способность к нели-

нейному прогнозированию сложных процессов.

Тем самым современная рациональность

сближает естественнонаучное, техническое и

социально-гуманитарное познание, воплощая

это в форме прежде всего технической рацио-

нальности.

Уваров Александр Иосифович – д-р философских наук профессор, заведующий кафедройфилософии. 8(499) 972-94-73 Uvarov Alexander Iosifovich – the dr. of philosophical sciences the professor managing chair philosophies. 8(499) 972-94-73



УДК 316.354 Е.А.Кириллова

E.A.Kirillova

Размышления о трансдисциплинарности социологической науки

Reflections on transdisciplinarity of sociological knowledge Представлены теоретические и методологические основы развития социологии в сторону трансдисципли-

нарности с точки зрения современной науки и практики. При моделировании трансдисциплинарного подхода ис-пользованы материалы западной социологии. Автору представляется актуальными и востребованными поиски универсальных парадигматических ориентиров и попытки синтеза оппозиций. В последние два десятилетия перспективы интеграции социальных наук можно связать с категориальным обновлением, переосмыслением категорий пространства, медиа, культуры и тела знания.

The article represents the theoretical and methodological foundations of sociology move toward transdisciplinarity in terms of modern science and practice. Modeling of the transdisciplinary approach is implemented on basis of western so-ciology. The author reflects as actual and popular the search for universal paradigmatic orientations and attempts to synthesize the oppositions. In the past two decades, the prospects for integration of social knowledge can be attributed to categorical upgrading, rethinking the categories of space, media, culture and the body of knowledge.

Ключевые слова: трансдисциплинарность, социальные науки, теория социальных изменений, «поле».

Key words: transdisciplinarity, social knowledge, theory of social change, “field”. Осмысление разнообразных социальных фе-

номенов связано с оценкой его вклада в измене-ние реальности. С одной стороны, данное за-ключение предполагает наличие нормативного измерения (у эмпирической социологии в том числе) и тем самым обособляет социологию от других социальных наук; с другой стороны, от-рицание ценностной составляющей ведёт к гос-подству аналитических методов в социологии, что также не способствует изменению такого обособления.

Любое определение «социального» предпо-лагает, что оно выступает также объектом изу-чения таких наук, как экономика, политология, культурология и психология. Поэтому, как это ни парадоксально, единственное, что может обеспечить существование социологии в каче-стве самостоятельной научной дисциплины – это стирание границ между социологией и дру-гими социальными науками.

Но так ли необходимо социологии избавиться от обособления и стать трансдисциплинарной?

Здесь необходимо сделать одно методологи-ческое замечание. С точки зрения автора, суще-ствует различие между междисциплинарностью и трансдисциплинарностью: первая означает не более чем взаимодействие наук в рамках неко-торых предзаданных условий их существования, тогда как вторая предполагает создание «треть-ей реальности», отличной от реальности каждой из наук и не сводимой к ним. Именно в этой «реальности» науки вступают в свободное взаимодействие друг с другом.

Социология, в отличие от других наук, всегда стремилась к плюралистическому анализу де-терминант и мотивов социального действия. В этом её мощное преимущество перед другими дисциплинами, поскольку трудно найти причи-ны для того, чтобы социологи в своих исследо-ваниях игнорировали политические, психологи-ческие или экономические аспекты социального

Размышления о трансдисциплинарности социологической науки


поведения или социальных процессов. А вот для этого как раз и необходимо соединение социо-логов с другими социальными науками. Такое взаимодействие, в свою очередь, должно допол-няться саморефлексией социологии как науки, направленной на выявление её эпистемологиче-ских и онтологических оснований.

Что касается методологии, то социолог не отдаёт предпочтение текстовым носителям ин-формации перед визуальными, а количествен-ным методам – перед качественными методами. Иная тактика приводит к тому, что наука, столкнувшись с теоретическими затруднениями, не может их преодолеть. Так произошло, с точ-ки зрения автора, с американской социологией, принявшей в качестве высшего авторитета идеи Т. Парсонса, который настаивал на гегемонии социологии в семье социальных и гуманитар-ных дисциплин. Однако приняв постулаты Пар-сонса своим теоретическим фундаментом, аме-риканская психология всё в меньшей степени стала реагировать на меняющиеся условия жиз-ни общества [1].Слабым местом социологии школы Парсонса было отсутствие теории соци-альных изменений.

Стоит заметить, что в 60-80-е годы ХХ века в России социология вообще не была принята официально, а для всех европейских социологи-ческих школ – американская школа была этало-ном. Сегодня во многих странах, в том числе и в России, транслируются наборы подчас противо-речивых суждений и концепций о наиболее фундаментальных вопросах социальной теории. Поэтому наметившаяся трансформация социо-логической науки имеет, с нашей точки зрения, непосредственное отношение к вопросу о при-дании социологии трансдисциплинарного изме-рения.

В настоящее время в мире социология уже не является наукой-гегемоном, а социальные ана-литики свободны от того, чтобы хранить орто-

доксальную чистоту единственно верной тео-рии. И благодаря этому, они могут использовать пограничные методы исследования и инстру-ментарий других наук, открытых трансдисцип-линарному синтезу. По мнению автора, одной из таких наук вполне может стать история. Пример: с 1960-х годов выходит журнал Com-parative Studies in Society and History. Всё боль-шее распространение получают взгляды, крити-кующие стремления разработать универсальную социальную теорию, с помощью которой можно было бы объяснять социальные процессы, про-исходящие во всех обществах независимо от их цивилизационной принадлежности.

В конце ХХ века перспектива трансдисцип-линарного синтеза в социальных науках полу-чила теоретическое обоснование в работах П. Бурдье, предложившего использовать поня-тие «поле» для описания различных социальных феноменов [2].

Сегодня уже имеются определённые модели описания трансдисциплинарного взаимодейст-вия наук в социальном поле. Есть концепции, в которых утверждается, что дискурсы наук по своей природе носят имперский характер и по-этому взаимодействие между науками, как рав-ными субъектами, невозможно [3].

Есть другая точка зрения так называемых постмодернистов, которые полагают, что можно избежать гегемонии одной науки над другой с помощью использования «малых форм» выра-жения.

Какие бы модели трансдисциплинарности не предлагались, ясно одно: современная социаль-но-политическая и культурологическая ситуа-ция вполне пригодна для осмысления нынешних отношений в сфере социальных наук. Эта си-туация может быть описана термином, который ввели постмодернисты «номад». Глобализация открыла национальные границы, теперь споры свободно перемещаются из страны в страну, с



континента на континент. Точно так же и соци-альные науки раздвинули свои границы в поис-ках более плодотворных теорий, сделав их мак-симально прозрачными. Вероятно, именно на этом пути можно «открыть» социологию новым веяниям и заняться поиском ответов на вопро-сы, которые ставят перед современным общест-вом крайне высокие темпы социальной транс-формации.


1. Социальные и гуманитарные науки // Отече-

ственная и зарубежная литература. Сер. 11. Социо-

логия. РЖ / РАН, ИНИОН. 2008. № 3.

2. Stunnetz G. For an open sociology // Thesis Ele-

ven. L., 2007, vol. 48, no. 91.

3. Doing culture. Neue Positionen zum Verhaeltnis

von Kultur und sozialer Praxis. Bielefeld, 2004.

Кириллова Елена Александровна – д-р философ. наук, профессор, заведующая кафедрой «Социо-логия, психология и педагогика» ГОУ ВПО МГТУ «Станкин». [email protected] Kirillova Elena Aleksandrovna – head of the chair of sociology, psychology and pedagogics, Moscow State Technological University, dsc (philosophy), professor. [email protected]

Documents

Электронная версия №4(12)-2010 Вестника МГТУ