Машиноведение и технология производства машин

Машиностроение как комплекс отраслей тяжёлой пром-сти, производящих орудия труда, предметы потребления и продукцию оборонного назначения, в наибольшей мере определяет технич. прогресс и эффективность нар. х-ва (см. в разделе Промышленность). В данной статье рассмотрены наиболее общие проблемы машиноведения (нек-рые вопросы освещены также в статьях БСЭ Автоматическое управление и Надёжность) и технологии произ-ва машин.

Машиноведение. Теория машин в механизмов. Эволюция машиностроения от отдельных машин неавтоматич. действия до их автоматич. систем отражена в развитии важнейших направлений теории машин и механизмов. Трудами П. Л. Чебышёва в 60-х гг. 19 в. (синтез шарнирных механизмов и др.), П. О. Сомова в 80-х гг. 19 в. (пространств, кинематич. цепи, решение обобщённой задачи о структуре кинематич. цепей) заложены фундаментальные основы этой теории. В нач. 20 в. были созданы теория структуры и классификации механизмов (Л. В. Ассур) и основы винтового метода кинематич. анализа механизмов (А. П. Котельников). Важное значение имело развитие теории зубчатых механизмов X. И. Гохманом в кон. 19 в., Н. И. Мсрцаловым в нач. 20 в. и др. Ими разработаны новые виды зубчатых зацеплений, созданы инж. методы их расчёта и проектирования. Новый этап в науке о машинах начался после Окт. революции. В 20-х гг. Мерцаловым, а затем И. И. Артоболевским, Г. Г. Барановым и др. решены задачи кинематики общего случая пространств, семизвенного механизма, а в 30-х гг. Н. Г. Бруевичем - задача кинетостатики пространств, механизмов. В 30-х гг. В. В. Добровольский, И. И. Артоболевский выделили 5 семейств механизмов в зависимости от числа степеней свободы и количества условий связи и указали общие методы решения задач анализа механизмов, а также предложили систему их классификации. Работами по классификации, кинематике и кинетостатике плоских и пространств, механизмов сов. школа прочно утвердила своё ведущее место в этой области мировой науки. В 30-50-е гг. И. И. Артоболевским и его школой создана обобщающая классификация механизмов по их структурным, кинематич. и динамич. свойствам, что позволило не только привести в систему существующие механизмы, но и открыть их новые виды. Изучение влияния допусков и неточностей при изготовлении деталей на кинематику и динамику механизмов вызвало к жизни в 40-е гг. «теорию реальных механизмов», осн. положения к-рой применительно к плоским и пространств, механизмам разработаны Бруевичем. В 40-50-х гг. дальнейшее развитие получила теория синтеза механизмов (И. И. Артоболевский, Добровольский и др.). Методы синтеза, напр, рычажных и кулачковых механизмов, используются при проектировании двигателей, станков, текст., с.-х. и др. машин. С 50-х гг. начались работы по анализу и синтезу механизмов с гидравлическим, пневматическим и электрическим устройствами (С. Н. Кожевников, Е. В. Герц и др.), а в 60-х гг.- механизмов с электронными и фотоэлектронными устройствами.

Исследования по динамике технологич. машин (в т. ч. с.-х.) были начаты В. П. Горячкиным в нач. 20 в., в дальнейшем (30-60-е гг.) продолжены И. И. Артоболевским, А. П. Малышевым и др. Ими были изучены вопросы уравновешивания с.-х. машин, режимы их движения и энергетич. баланс, а также решены мн. задачи динамики машинных агрегатов. В кон. 60-х гг. исследованы вопросы колебаний в машинах, особенно при высоких скоростях и нагрузках (Ф. М. Диментберг, К. В. Фролов).

В 60-е гг. расширились исследования по теории, методам расчёта, проектирования и эксплуатации машин-автоматов (С. И. Артоболевский, И. И. Капустин, Г. А. Шаумян). Проведена их классификация по признакам, связанным с числом потоков информации и путями их использования; методы теории машинавтоматов связаны с общими методами теории автоматич. управления. Для обширного класса автоматов, оснащённых цифровыми системами управления, А. Е. Кобринским созданы программы их работы, методы и средства обработки исходной и дополнит, текущей информации, разработаны вопросы расчёта и проектирования самонастраивающихся систем. С 50-х гг. решаются задачи синтеза автоматов, имеющих оптимальные параметры, с помощью ЭВМ (С. А. Черкудинов и др.). В 70-х гг. ведутся работы по системам машин автоматич. действия, роботам-манипуляторам, шагающим машинам, динамике машин с неск. степенями свободы, машинам с перем. массой звеньев, вибрационного действия (И.И. Артоболевский, А. Е. Кобринский, А. П. Бессонов и др.).

Ведущими ин-тами в области теории машин и механизмов являются Гос. НИИ машиноведения, Ин-т геотехнич. механики (УССР), Груз, политехнич. ин-т, Ин-т механики машин и полимерных материалов (Груз. ССР), Каунасский политехнич. ин-т, Ленингр. оптико-механич. ин-т, Ленингр. ин-т инженеров ж.-д. транспорта, Челябинский политехнич. ин-т и др. Координацию работ осуществляют Науч. советы по теории машин и систем машин и по теории и принципам устройства роботов и манипуляторов. Сов. учёные участвуют в Междунар. конгрессах по теории машин и механизмов. Президентом Междунар. федерации по теории машин и механизмов в 1969-75 был И. И. Артоболевский. См. также Машин и механизмов теория, Динамика машин и механизмов, Кинематика механизмов.

Теория расчёта машин. Рус. учёные и инженеры, работавшие в 19 - нач. 20 вв., значительно обогатили теорию и практику расчёта и конструирования машин. Напр., Н.Е.Жуковским исследована работа упругого ремня на шкивах, рассмотрено распределение сил между витками резьбы, им же совместно с С. А. Чаплыгиным решена одна из важнейших гидродинамич. задач в приложении к подшипникам скольжения. Быстро развивалась теория расчёта машин после Окт. революции 1917. В этой области в 10-20-х гг. работали учёные МВТУ (А. И. Сидоров, П. К. Худяков), мн. др. вузов и н.-и. орг-ций. В 30-40-х гг. созданы методы расчётов валов и осей на выносливость, учитывающие переменность режима работы, статич. и усталостные характеристики материалов, концентрацию напряжений, масштабный фактор, упрочнение поверхности (С. В. Сервисен). В нач. 40-х гг. А. И. Петрусевичем, В. Н. Кудрявцевым и др. разработаны теория и принципы расчёта эвольвентных зубчатых зацеплений, осн. теоретич. положения для расчёта цилиндрич. передач внеш. и внутр. зацепления, конич., гипоидных и червячных передач. В 50-е гг. М. Л. Новиковым было предложено кругловинтовое зацепление. В инж. практике с 60-х гг. применяются теоретич. расчёты динамич. нагрузок, учитывающие точность изготовления передач, характер на-гружения и др. параметры (Гос. НИИ машиноведения). В 40-50-е гг. было положено начало работам по контакта о-гидродинамич. теории смазки. В частности, решена изотермич. контактно-гидродинамич. задача для линейного контакта. В 30- 50-е гг. разработаны основы теории и расчёта ремённых передач на тяговую способность, бесступенчатых передач (В. Н. Беляев, Д. Н. Решетов). В 40-50-е гг. получила дальнейшее развитие теория расчёта соединений: исследованы прочность элементов резьбовых соединений при статич. и циклич. нагружениях (И. А. Биргер). В 50-60-е гг. созданы гидроприводы на мощность 100-150 квт. Значит, развитие в 40-70-е гг. получили теория и расчёт пружин и упругих звеньев (Е. П. Попов, С. Д. Пономарёв). В 70-х гг. создаются уточнённые методы расчёта гидродинамич., гидростатич., газовых опор скольжения, тормозов (Гос. НИИ машиноведения, МВТУ), исследуется износ зубчатых колёс методом меченых атомов (Рижский политехнич. ин-т). Изучается несущая способность масляных слоев между деталями машин, катящимися со скольжением (Гос. НИИ машиноведения, Киевский ин-т гражд. авиации, Одесский политехнич. ин-т). Крупные работы ведутся также в Моск. станко-инструмент. ин-те, Эксперимент. НИИ металлорежущих станков, Центр. НИИ технологии машиностроения, ленинградских политехнич., механич., кораблестроит. и др. ин-тах. См. также Детали машин.

Проблемы прочности. Нек-рые важные проблемы теории прочности были исследованы рус. учёными в дореволюц. период: Н. Е. Жуковским (расчёт распределения усилий в резьбовых соединениях), А. Н. Крыловым (действие силовых импульсов на упругие системы), Н. Г. Бубновым (строит, механика тонкостенных конструкций), С. П. Тимошенко (прикладная теория упругости), В. Л. Кирпичёвым, М. В. Воропаевым (усталость конструкционных материалов) и др.

После 1917 развёртываются исследования проблем прочности на базе вновь организованных ин-тов - Физико-технич. в Ленинграде (критерии хрупкого разрушения материалов, остаточные напряжения и измерения деформаций), Ин-та технич. механики АН УССР в Киеве (усталость и динамич. прочность механич. конструкций), Центр, аэрогидродинамич. ин-та (прочность высоконагруженных конструкций) и др.

В 30-е гг. в расчётах на прочность стали применять хорошо разработанные методы строит, механики, позволяющие определить статич. усилия в упругих системах машин, узлов и конструкций.

Большую роль в создании методов определения полей напряжений сыграли исследования П. Ф. Попковича, Г. В. Колосова и Н. И. Мусхелишвили, явившиеся основой решения важнейших проблем предельного состояния и механики разрушения. В частности, использование конформного отображения позволило решить ряд новых задач о концентрации напряжений около отверстий и в прессовых соединениях, а также плоских и объёмных задач при расчёте элементов машин.

Благодаря работам Н. С. Стрелецкого, А. А. Гвоздева и др. (30-е гг.), С. Д. Пономарёва (50-60-е гг.) и др. широкое распространение получил метод расчёта прочности по предельным нагрузкам на основе строит, механики с учётом возможных полей скоростей и допустимых полей напряжений. В дальнейшем важный вклад в исследование предельного состояния применительно к задачам прочности внесли В. В. Соколовский, А. А. Ильюшин (40-е гг.), Ю. Н. Работнов (50-е гг.), Л. М. Качанов, Н. Н. Малинин (50-60-е гг.) и др. В частности, исследования Работнова оказали большое влияние на дальнейшее развитие прикладных методов расчёта напряжённых состояний и прочности при неупругих деформациях. В 50-60-е гг. широкое применение получили методы исследования полей деформаций и напряжений (Н. И. Пригоровский и др.), тензометрии (М. Л. Дайчик, Г. X. Хуршудов) и др. Усовершенствование метода конечных разностей и развитие метода конечных элементов позволили разработать схему решения аналогичных задач не только в упругой, но и в пластич. области, в т. ч. при ползучести (Д. В. Вайнберг, А. Г. Угодчиков и др.). Реализация расчётов по этим схемам особенно эффективна с применением ЭВМ.

Выполнены значит, работы по механич. закономерностям хрупкого разрушения (А. Ф. Иоффе, 20-е гг.; Н. Н. Давиденков и др., 30-е гг.; Я. Б. Фридман, Б. А. Дроздовский, 50-60-е гг., и др.).

В области усталостной прочности были проведены обширные экспериментальные работы и созданы практич. способы расчёта на прочность при циклически изменяющихся напряжениях. Важное значение в этой области имели построение стохастич. моделей процесса усталости (Н. Н. Афанасьев, 40-е гг., В. В. Болотин и др., 60-е гг.), разработка методов расчёта на прочность (С. В. Серенсен, В. П. Когаев и др., 50-60-е гг.) и изучение проблемы малоциклового разрушения (в 40-е гг.- Н. И. Марин, в последующие годы - Серенсен, В. В. Новожилов и др.). Для проверки циклич. деформирования и критериев разрушения разработаны экспериментальные методы исследования полей деформаций с помощью сеток (Н. А. Махутов), оптически активных покрытий (Р. М. Шнейдерович и В. В. Ларионов), муара (Шнейдерович и О. А. Левин). Уточнены критерии усталостного разрушения в связи с типом напряжённого состояния. Возможность значит, увеличения прочности в местах концентрации напряжений поверхностным наклёпом и термич. обработкой показана в 40-50-х гг. Н. П. Щаповым, И. В. Кудрявцевым и др.

Систематич. исследования проблем термопрочности проводились И. А. Одингом (40-60-е гг.), Серенсеном (с 50-х гг.), Г. С. Писаренко (50-60-е гг.) и их учениками. Они были посвящены выяснению сложных изменений механич. и термич. прочности в широком диапазоне режимов нагружений и нагрева. Прочностью при неизогермич. нагружений, особенно важной для элементов конструкций, в к-рых возникают значит, температурные напряжения, занимались в 50-60-е гг. Ю. И. Лихачёв, Ю. Ф. Баландин и др.

Увеличение скоростей машин, интенсификация технологич. процессов, а также успешное применение импульсных методов в технологии формоизменения и упрочнения обусловили разработку волновых упругопластич. задач, решение которых базируется на основополагающих работах Л. А. Галина, X. А. Рахматулина и др.

В 70-х гг. наука о прочности развивается в след, направлениях: разработка вопросов механики деформирования и разрушения как основы расчётов на прочность при экстремальных условиях нагрева и нагружения, исследование кинетики деформированных состояний и разрушения для определения прочности и долговечности в условиях стационарной и стохастич. нагруженности, анализ истории нагружения и накопления повреждений для оценки остаточной прочности и ресурса.

Ведущие ин-ты: Гос. НИИ машиноведения, Ин-т проблем механики АН СССР, Ин-т проблем прочности АН УССР, Ин-т электросварки АН УССР. Координацию работ осуществляет Научный совет АН СССР по проблемам прочности и пластичности.

Проблемы точности и износостойкости. Технич. прогресс в машиностроении тесно связан с решением проблем повышения точности изготовления деталей машин и обеспечения их износостойкости. Отдельные исследования по этим проблемам проводились ещё в дореволюц. России. Напр., известны работы Н. П. Петрова, заложившего основы гидродинамич. теории трения. Планомерно исследования в области точности стали осуществляться лишь после Октябрьской революции 1917. Декретом СНК (1918) была узаконена метрич. система мер, а затем приняты гос. эталоны и проведены др. мероприятия в области метрологии. В 20-30-х гг. созданы стандарты на допуски для типовых деталей машин (А. Д. Гатцук, М. А. Саверин). Важную роль в разработке гос. стандартов на допуски изделий и калибров для их контроля сыграло организованное в 1935 Н.-и. бюро взаимозаменяемости под рук. И. Е. Городецкого; оно стало ведущим в области создания средств измерения и контрольных автоматов. В 30-е гг. развернулись работы по взаимозаменяемости, стандартизации и технике измерений в н.-и. opr-циях различных отраслей пром-сти. В 30-40-х гг. большое значение имели теоретические исследования Бруевича (точность механизмов с учётом ошибки размеров и расположения звеньев), Б. С. Балакшина (теория размерных цепей), Н. А. Бородачёва (основы расчёта допусков кинематич. цепей), Н. А. Калашникова (точность зубчатых колёс); при этом вопросы точности стали изучаться в связи с технологич. процессами изготовления изделий (работы А. П. Соколовского, В. М. Кована и др.). Итогом этих работ была общая теория точности машин и приборов (40-50-е гг., Гос. НИИ машиноведения), выводы к-рой в 60- 70-е гг. применялись при проектировании машин, приборов и технологич. процессов, а также в автоматизации контроля в пром-сти и управлении технологич. процессами.

В 70-х гг. внимание учёных сосредоточено на оптимизации точностных задач с помощью ЭВМ при конструировании, а также на комплексном изучении проблем точности и надёжности. Ведущими организациями в области взаимозаменяемости и точности являются Бюро взаимозаменяемости в металлообрабатывающей пром-сти, Гос. НИИ машиноведения и Центр. НИИ технологии машиностроения. Значит, работы ведутся также в Киевском, Рижском, Каунасском политехнич. ин-тах, Вильнюсском филиале Эксперимент. НИИ металлорежущих станков и др. Сов. учёные активно участвуют в работе Междунар. орг-ции по стандартизации (ISO), междунар. конференциях по измерит, технике и разработке единой системы допусков и посадок, унифицированных стандартов стран - членов СЭВ.

Теория трения и износа твёрдых тел наиболее интенсивно развивалась с 30-х гг. в связи с ростом машиностроения. Потребовались износостойкие фрикционные материалы и новые виды смазок. В 30-40-х гг. А. К. Зайцевым и Д. В. Конвисаровым систематизированы знания о трении и износе в машинах и сделаны попытки создания единого учения о трении и износе. В дальнейшем исследованы природа поверхностных сил (Б. В. Дерягин), механизм разрушения поверхностных слоев (П. А. Ребиндер), подшипниковые сплавы и абразивный износ (М. М. Хрущов). Предложенные в 50-х гг. молекулярно-механич. теория трения и усталостная теория износа (И. В. Крагельский) являются ныне базисом для инж. расчёта машин на износ, работающих в условиях сухого и граничного трения, для подбора и создания материалов пар трения. Значит, вклад в теорию трения и износа в 40-50-х гг. внесли Б. Д. Грозин и Б. И. Костецкий (износ металлов), А. П. Семёнов (схватывание металлов), С. В. Пинегин (сопротивление качению), А. К. Дьячков и М. В. Коровчинский (гидродинакич. смазка), А.И. Петрусевич (контактно-гидродинамич. смазка), Г. В. Виноградов и Р. М. Матвеевский (эффективность действия смазочных материалов при тяжёлых режимах трения), А. В. Чичинадзе (физич. моделирование фрикционного контакта) и др. В нач. 60-х гг. мощным импульсом развития науки явилась необходимость создания новых материалов и узлов трения для машин разного назначения. Были созданы самосмазывающиеся материалы на полимерной основе (В. В. Коршак, В. А. Белый и др.), а также металлофторопластовые материалы (Гос. НИИ машиноведения). В 60-70-х гг. разработаны мероприятия по борьбе с задиром поверхностей трения (Н. Л. Голего), исследовано трение полимеров (А. К. Погосян), проводилось дальнейшее изучение процесса трения скольжения (Г. А. Свирский).

В 70-х гг. создаются смазки и присадки к ним, препятствующие задиру пар трения и обеспечивающие автокомпенсацию износа (Всесоюзный н.-и. и проектный ин-т нефтеперерабатывающей и нефтехимич. пром-сти, Ин-т нефтехимич. синтеза им. А. В. Топчиева), полимерные материалы для узлов трения (Ин-т элементоорганич. соединений АН СССР, Ин-т металлополимерных систем АН БССР и др.), развиваются теоретич. основы контактного взаимодействия твёрдых тел с учётом среды (Ин-т проблем механики АН СССР), применяются к разным деталям расчётные методы прогнозирования износа (Гос. НИИ машиноведения), создаются стандартные методы оценки фрикционных материалов (Всесоюзный НИИ по нормализации в машиностроении). Важные работы по трению и износу выполняются по договорам между СССР и Великобританией, Францией, ГДР. СССР - член Междунар. совета по трибонике «Eurotrib» [с 1973 (год основания) вице-президент И. В. Крагельский].

Материаловедение. Основоположниками совр. металловедения явились П. П. Аносов и Д. К. Чернов. В предреволюц. годы на базе вузов и нек-рых заводских лабораторий сложились центры металловедч. науки. Особенно интенсивно она развивалась после Окт. революции 1917; была создана сеть НИИ, заводских лабораторий и высших технич. уч. заведений, выросли крупные школы металловедения.

В 20-30-х гг. Н. С. Курнаков и его школа разработали учение о физико-химич. анализе сплавов и установили важные закономерности зависимости свойств от состава. Исследования в области теории металлургич. процессов и металловедения, послужившие основанием для разработки высококачеств. сталей, были проведены школой А. А. Байкова. Изучение сплавов на основе цветных металлов, разработка подшипниковых сплавов были содержанием работ школы А. М. Бочвара. Труды С. С. Штейнберга, продолженные его учениками (В. Д. Садовский и др.), посвящены кинетике превращений аустенита. Новые типы сталей и различные технологич. процессы термич. обработки разработаны Н. А. Минкевичем и Н. Т. Гудцовым. А. А. Бочвар установил механизм эвтектич. кристаллизации, открыл явление сверхпластичности, используемое при разработке новых технологич. процессов металлообработки, заложил основы теории литейных свойств сплавов. Основоположником исследований по применению токов высокой частоты в процессах термич. обработки был В. П. Вологдин (30-е гг.).

Важную роль в развитии металловедения начиная с 20-х гг. сыграло применение методов рентгеноструктурного анализа, позволившее определить кристаллич. структуру различных фаз, её изменения при фазовых превращениях, термич. обработке и деформации. В этой области важнейшее значение имели работы С. Т. Конобеевского, Г. В. Курдюмова, Н. В. Агеева и др. Курдюмов, в частности, исследовал кристаллич. структуру мартенсита и изменения структуры закалённой стали при отпуске, открыл явление термоупругого равновесия и «упругие» кристаллы мартенсита (что является теоретич. основой разработки сплавов с т. н. памятью формы).

В послевоенные годы требования к металлич. материалам резко возросли и стали более разнообразными в связи с необходимостью достижения высоких эксплуатац. параметров, надёжности и долговечности в широком диапазоне темп-р, нагрузок, скоростей нагружения, при воздействии различных агрессивных сред и физич. полей. Существенными явились и запросы техники к экономичности материалов, их технологичности (свариваемость, способность к формоизменению, малые изменения размеров при термообработке, простота термич. обработки). Появилась необходимость в получении материалов со сложным комплексом свойств (высокая прочность с достаточным сопротивлением хрупкому разрушению и хладноломкости; немагнитность; спец. физич. свойства). Всё это обусловило быстрое развитие теоретич. металловедения, изыскание новых метал-лич. материалов и методов их производства.

В 60-70-х гг. решены задачи обеспечения потребностей нар. х-ва в металлич. материалах. Разработаны новые стали: конструкционные с повыш. прочностью и пластичностью, сопротивлением циклич. нагрузкам, коррозии под напряжением; низколегированные строительные с хорошей свариваемостью и повышенными механич. характеристиками для мостостроения, газо- и нефтепроводов, судостроения, пром. и гражд. стр-ва и, в частности, для использования в условиях Севера; жаропрочные для реактивной авиации и энергетики; коррозионно-стойкие для химич. пром-сти и атомной энергетики; экономичные быстрорежущие и инструментальные повыш. производительности; электротехнические с малыми удельными потерями, в т. ч. холоднокатаные и текстурованные; нестареющие для глубокой вытяжки, криогенные и др.

Значит, развитие получило произ-во лёгких сплавов повышенной прочности (алюминиевых, магниевых, титановых, бериллиевых), особенно для конструкций с высокими требованиями к весовым показателям (А. Ф. Белов, А. Т. Туманов и др.), а также произ-во сплавов со спец. физ. свойствами (магнитно-мягкие, магнитно-твёрдые, с высоким электросопротивлением, с заданным коэфф. расширения, с высокими упругими свойствами, сверхпроводящие, магнитострикционные, термомагнитные и др.) для электронной, электровакуумной техники и приборостроения (А. С. Займовский и др.). Важное значение имели проведённые в 60-70-х гг. исследования процесса термомеханич. обработки металлов.

Достижения в области физики твёрдого тела, физ. химии и металловедения позволили создать принципиально новый класс материалов - т. н. композиционные материалы. Используя полезные свойства составляющих композиций (металлов, сплавов, керамики, карбидов, боридов, полимеров и др.), можно получить композиц. материалы с заданным комплексом спец. свойств: высокопрочные, жаропрочные, высокомодульные, радиопоглощающие, радиопрозрачные, диэлектрич., магнитные и др.

Обширный комплекс теоретич. и практич. работ проведён в СССР по созданию и применению в машиностроении пластмасс и др. синтетич. материалов (резин, химич. волокон, клеёв, лаков, красок). Созданы высокоэффективные пластмассы, обладающие ценными свойствами (физико-механич., химич., диэлектрич., оптич. и др.). На мн. маш.-строит, з-дах организованы базовые цехи по произ-ву пластмассовых деталей и узлов машин. Пластмассы заменяют тяжёлые цветные металлы, нержавеющую сталь, ценные сорта древесины, используются для улучшения качества машин и оборудования, снижения их массы и стоимости, повышения долговечности, надёжности, производительности. А. А. Пархоменко, О. А. Владимиров, А. И. Петрусевич, А. Т. Григорян, Р. М. Матвеевский, Р. И. Энтин,