Машиностроение размером в 100 нанометров

30 сентября 2018 года свой профессиональный праздник отмечают машиностроители. Сегодня мы беседуем с кандидатом технических наук Алексеем Федоровым, доцентом кафедры «Технология машиностроения» ОмГТУ. Основная область научных интересов: ультразвуковая упрочняющая обработка тяжелонагруженных металлических деталей, подверженных износу. Данный вид обработки увеличивает ресурс и срок службы изделия и относится к перспективному научному направлению - инженерии поверхности.

Алексей Аркадьевич, среди множества достойных разработок СНИЛ обращает на себя внимание Ваша – метод ультразвуковой упрочняющей обработки тяжелонагруженных металлических деталей, подверженных износу. Как давно Вы работаете в этой области?

Сама тематика упрочения не нова, она возникла в начале 1960-х годов в Новосибирском электротехническом институте (НЭТИ, в настоящее время - НГТУ). Чуть позже над этой проблемой в Омске начал работать Алексей Васильевич Телевной, мой первый учитель, в то время он был директором НИИМКТ. Перед заводом была поставлена задача государственной важности по повышению прочности и износостойкости компрессоров для микрокриогенных систем. Решением этой задачи занимался Алексей Васильевич, и они составили часть его кандидатской и докторской работ. Я являюсь его продолжателем и учеником. Окончив политех в 2005 году, я начал работать на кафедре ТМС как преподаватель-стажер, затем была аспирантура и защита кандидатской в 2010 году. Сейчас работаю над докторской.

Как исследование переросло в бизнес?

Мы только в самом начале пути коммерциализации этой разработки. Хорошей школой в продвижении к бизнес-идее для меня стало участие в 2018 в треке TechNet крупнейшего стартап-акселератора России и Восточной Европы GenerationS. Подав заявку в GenerationS в числе 399 участников, я попал в число 12 финалистов с лучшими проектами. Вся суть стартап-акселератора в том, что тебя вынимают из комфортных условий (для ученого это, конечно же, его лаборатория) и накачивают бизнес-скилами ( от. англ. skills- навык, умение). Это – основы целеполагания, бизнес-моделирование, бизнес-планирование, маркетинг проекта, продажи, PR в проекте и т.д. Это очень сильная школа и я очень благодарен наставникам. За время, проведенное в акселераторе, удалось наладить контакты с предприятиями, заинтересованными в нашей работе. Это - ОДК «Сатурн» (г. Рыбинск), второе предприятие – Уралвагонзавод, третье - фирма «Феникс» (Ярославль).

Вы предлагаете продукт или технологию?

Технологию будем продавать, если предложат хорошие деньги. Пока заказы принимаем только на продукт. К примеру, фирма «Феникс» (г. Ярославль) прислала запрос на упрочнение оси балансира для танка. Есть в этом заказе сложности: обрабатываемый участок представляет собой галтель - сложная по конфигурации поверхность, а инструмент должен быть всегда направлен по нормали к обрабатываемой зоне. Поэтому мы сейчас думаем, как приобрести оборудование, позволяющее производить манипуляции инструментом по заданной траектории.

То есть, оборудование Вы используете уникальное? Какова физика процесса упрочнения?

Мы сами изготавливаем устройство для упрочнения изделий с помощью ультразвука, здесь применена методика поверхностно-пластического деформирования. Недавно мы усовершенствовали опоры и получили два патента на принципиально улучшенную конструкцию. Система представляет собой механический ударник, работающий в резонансе; инструмент статическим усилием плотно поджат к обрабатываемой поверхности. Движение инструмента возможно на скоростях до 4,5 м/сек, но за счет высокой частоты колебания инструмента (18 000 ударов в секунду) и мощного преобразователя (4,5 кВт) мы можем сделать на одном квадратном миллиметре 10 000 упрочняющих поверхность микроскопических лунок. Создание текстурированной поверхности из микролунок позволяет уменьшить трение и удержать смазочные материалы, во-первых. Во-вторых, происходит осаждение продуктов износа в самой луночке, и они уже не участвуют в процессе трения. Еще один нюанс: на самом деле любое шлифование под микроскопом выглядит не так гладко - это всегда царапины. Мы практически перековываем поверхность и убираем все концентраторы напряжений. Площадь контакта увеличивается, нагрузка распределяются равномерно по луночно- синусоидальной поверхности: в процессе трения деталей нет среза пиков, а есть скольжение одной поверхности относительно другой. Любая трибологическая система в результате трения самоорганизуется, и наш метод ускоряет этот процесс.

Мы открыли общество с ограниченной ответственностью, на самом деле это было одним из условий участия в стартап-акселераторе GenerationS, так как сотрудничество с крупными предприятиями предполагает наличие статуса юридического лица. Конечно, создание фирмы - это еще и большая административная нагрузка, и в этом мне много помогает Максим Кучеренко и сотрудники Фабрики бизнеса ОмГТУ. Вуз поможет создать малое инновационное предприятие (МИП), сделать оценку патента и ввести его в уставной капитал, это тоже одно из условий работы с большими игроками. Уже есть предпочтения - это нагруженные детали подвески, военная техника, двигатели внутреннего сгорания, авиационные двигатели. Но обработка деталей лишь один из шагов. Мы движемся к созданию установок для упрочнения поверхностей. Рассматриваем варианты крепления ударного устройства как непосредственно в обрабатывающий центр, так и в качестве рабочего органа промышленного робота с шестью степенями свободы.

 В жизни ученого всегда есть момент, когда он восклицает: «Эврика!»... Как в Вашем случае?

Да. Это был момент, когда мне удалось разработать спектральный метод контроля упрочненных поверхностей. После ультразвуковой упрочняющей обработки детали имеют радужный перелив, и цвет на такой поверхности разлагается в спектр. Сначала думал, что это эффект интерференции, как это происходит в тонких оксидных пленках: все видели, как радужные цвета появляются в масляной пленке или пленке бензина, растекшейся по луже на асфальте. Потом прочитал про дифракционные отражательные решетки, где идет отражение от верхней и от нижней границы. За счет разницы хода лучей одни цвета усиливаются, а другие ослабевают, и мы видим радужные полосы на поверхности обработанной детали. То есть, наличие такого эффекта после обработки подтверждает ее качество - это метод визуального инженерного контроля, позволяющий избежать исследования образцов в лабораторных условиях. От наблюдения эффекта до разработки метода контроля прошло семь лет, так что «Эврика!» пришлось ждать достаточно долго.

Какие перспективы развития у данной технологии?

Мы многому научились, и теперь наши задачи лежат не столько в плоскости того, чтобы нанести упрочнение, а чтобы им эффективно управлять. Сейчас регулярность нанесения микроямочек составляет порядка 90% – это очень хороший результат. Управлять нанесением микроямочек не только в плане моделирования рисунка, но регулировать глубину и диаметр отпечатков инструмента – новая задача. Именно для этих целей была разработана новая конструкция модуля, и мы надеемся получить ожидаемые результаты уже в скором времени. Еще одна интересная задача может быть решена при проведении исследований на коррозийную стойкость. Мы уже наблюдаем эффект повышения антикоррозионных свойств у обработанной поверхности за счет устранения электрохимических ячеек, которые обычно образуются при шлифовании деталей. Ведь шлифованная поверхность – это чередование пиков с положительными и отрицательными зарядами. Добавим между ними пары воды, и перед нами электрохимическая ячейка, как результат - коррозия. Мы сминаем эти пики, и это препятствует процессу окисления. Такие исследования позволят решить многие проблемы уже в масштабах индустрии, а это – уже другая экономика.

Действительно, нанесение регулярных микрорельефов известно достаточно давно, но для полноценных исследований не хватало технических возможностей. Раньше максимум, на что могли рассчитывать ученные, это оптические микроскопы с увеличением в 1000 крат. Сейчас при увеличении в 10-15 тысяч крат мы работаем со структурами размером в 500 нм и меньше. Текстурирование поверхности микроямочками - это не единственный эффект обработанной поверхности. В поверхностном слое на глубине до 30 мкм создается нано-кристаллическая структура с размерами зерна менее 100 нанометров, ее свойства еще требуют изучения. Кроме того, мы можем внедрять твердый смазочный материал, такой как дисульфид молибдена на глубину до 1 мкм. При ударе поверхностный слой переходит в высоковозбужденное состояние, и есть возможность внедрения твердой смазки, которая затем застывает.

Поведение обработанной поверхности под нагрузкой поддается моделированию?

В своей кандидатской работе я использовал программное обеспечение SolidWorks для моделирования поведения такой поверхности. Использование методов конечных элементов во многом может упростить эту задачу. Мы сейчас плотно занимаемся технологией и физикой процесса, а для моделирования необходимо привлекать специалистов, обладающих такими компетенциями. Вполне возможно, что в ближайшее время я буду обсуждать этот вопрос с Григорием Русских, владеющим ANSYS. Думаю, здесь будет материал не для одной статьи в высокорейтинговых журналах, а может и еще одна «эврика».

Часто для молодых людей машиностроение - это прошлый век. Как вы воспринимаете этот термин?

Чаще всего мы видим результат работы инженеров, и к этому быстро привыкаем. Я, как исследователь, работающий в области инженерии поверхности, могу сказать, что человек, хотя бы раз посмотревший в растровый электронный микроскоп, не захочет больше оставаться просто пользователем. Он автоматически превращается в исследователя: ведь когда мы рассматриваем поверхность металла при увеличениях в 10-50 тысяч крат, меняется мировоззрение: взгляду открываются структуры, сходные по строению с вселенной. Структура металла похожа на структуры звездные, они имеют свою организацию, и ты начинаешь понимать, как устроена природа, поражаешься ее величию и красоте. Я думаю, что так зарождается любовь к науке, желание исследовать и творить. Я сам это ощущаю.

Приглашаю молодых ребят в наши исследовательские коллективы, а всех инженеров поздравляю с праздником – Днем машиностроителя!