Том 24, № 4 (2022)

Введение. В настоящее время значительную долю в машиностроительной отрасли составляют единичные изделия, либо изделия изготавливаемые мелкими партиями. В связи с этим для сокращения затрат на изготовление специальной дорогостоящей оснастки заготовительного передела начинают активно применяться инновационные подходы для получения таких изделий. К таким технологиям можно отнести метод Direct Metal Deposition (DMD), суть которого заключается в осаждении металлических частиц из газопорошковой струи. Данный метод имеет много достоинств. Однако одним из главных недостатков является то, что изделия после выращивания имеют грубую поверхность и не соответствуют точностным требованиям чертежа готовой детали. Следовательно, изделия требуют дальнейшей механической обработки резанием. Вместе с тем вследствие новизны материалов для них отсутствуют режимные параметры для механической обработки. В связи с этим цель работы заключается в установлении функциональной взаимосвязи силы резания и шероховатости обработанной поверхности с подачей на зуб при концевом фрезеровании материала EuTroLoy 16604, полученного DMD-методом. В работе проведено экспериментальное исследование силы резания и шероховатости обработанной поверхности при варьировании подачи на зуб при концевом фрезеровании. Методом исследования является эксперимент по фрезерованию материала EuTroLoy 16604, полученного DMD-методом, с измерением выходных параметров процесса (сила резания и шероховатость обработанной поверхности). Результаты и обсуждение. Измеренные значения силы резания и шероховатости обработанной поверхности позволили установить функциональные и графические зависимости выходных параметров процесса фрезерования от подачи на зуб. Установлено, что при использовании фрезы с меньшим задним углом возникают меньшие силы резания и поверхность при этом имеет меньшую высоту микронеровностей. Таким образом, разработанные функциональные взаимосвязи силы резания и шероховатости обработанной поверхности с подачей на зуб позволят прогнозировать выходные параметры процесса резания и повысить эффективность операции механической обработки резанием. Перспективное направление дальнейшей работы видится в исследовании относительной обрабатываемости и оценке ее количественного значения.

Введение. Важным направлением исследований в области плазменной резки металлов является получение поверхности реза металла, характеризующейся минимальными шероховатостью и геометрическими отклонениями. Немаловажным также является минимизация изменений структуры металла под поверхностью реза, вызванных температурным воздействием плазменной струи, в том числе образование окалины. Решением задачи получения качественного реза является оптимизация параметров процесса резки. Среди основных параметров, определяющих качество реза, рассматриваются ток и напряжение плазменной дуги, высота резки, скорость резки. Однако процессам плазменной резки металлов толщин свыше 20 мм уделено недостаточное внимание, что связано с ограничениями, обусловленными условиями работы плазмотронов на токах прямой полярности. Исходя из этого для резки больших толщин перспективным представляется использование плазмотрона, работающего на токах обратной полярности. Целью работы является отработка методики плазменной резки листового проката меди, титанового и алюминиевого сплава толщиной до 40 мм с использованием плазмотрона, работающего на токах обратной полярности. Результаты и обсуждение. Исследования показывают, что для резки сплава Д16Т и титанового сплава ОТ4-1 можно в широком диапазоне регулировать скорость резки, в то время как для проката меди М1 и сплава Д16Т толщиной 40 мм диапазон регулирования скорости резки достаточно узок. Вместе с тем для сплава Д16Т по причине избыточного выпадения легирующих элементов из твердого раствора в зоне термического влияния отмечалось падение микротвердости, для сплава ОТ4-1 характерным являлся рост микротвердости, обусловленный закалкой материала. Изменение параметров режима резки позволяет получать более однородную макрогеометрию поверхности реза, меньшую глубину зоны переплава материала и зоны термического влияния и меньшие изменения механических свойств материала в зоне реза.  Для сплава ОТ4-1 практически все использованные режимы резки являлись близкими к оптимальным. Для сплава Д16Т и меди марки М1 определены режимы, обеспечивающие в рассматриваемом диапазоне параметров наилучшее качество реза. По результатам работы можно сделать вывод о том, что плазменная резка на токах обратной полярности является эффективной для резки проката больших толщин, однако методика требует дальнейшей отработки с целью повышения качества получаемого реза.

Введение. Современное машиностроение плотно сопряжено с цифровыми технологиями управления производством, для которых важным аспектом является сбор достоверной информации о текущем состоянии систем. Акустические методы текущего контроля режущей способности инструмента при этом обладают значительным потенциалом за счет возможности непрерывного получения актуальных данных о параметрах процесса обработки. Профильное шлифование является одним из широко распространенных методов обработки поверхностей сложной конфигурации. Высокая значимость данного метода заключается в высокой степени ответственности фасонных деталей, получаемых с его помощью. Параметр износа профилированных шлифовальных кругов нуждается в текущем контроле в той же степени, как и другие виды режущего инструмента. При этом акустические методы исследования не нашли широкого применения по отношению к профильному шлифованию. Ввиду этого настоящая работа направлена на исследование влияния степени износа инструмента на акустические характеристики шлифования при применении шлифовальных кругов различного профиля. Целью работы является определение акустических параметров обработки профильным кругом с применением схемы плоского шлифования по мере его износа в сравнении с аналогичным процессом с применением круга прямого профиля. В качестве основных методов исследования используется эксперимент по изучению звуковых явлений, сопровождающих шлифование с применением кругов разного профиля. Проводится анализ акустического сигнала шлифования, анализ спектра его частотного состава. Исследуются частоты собственных колебаний шлифовальных кругов разного профиля, определяется их звуковой индекс как критерий оценки их характеристик. Проводится сравнение акустических характеристик процесса шлифования с применением шлифовальных кругов разного профиля. Используется также регрессионный анализ акустических данных, полученных в результате эксперимента. Результаты и обсуждение. Получены спектрограммы частот собственных колебаний исследуемых кругов, а также ряд спектрограмм акустического сигнала, сопровождающего процесс обработки для различных технологических условий. В результате сравнения полученных спектрограмм были определены информативные частоты процессов шлифования. Разработаны математические модели зависимости уровня звука от значения периодической вертикальной подачи St на глубину t и продолжительности обработки Т. Установлено, что значение периодической вертикальной подачи на глубину t имеет большее влияние на акустический показатель по сравнению с продолжительностью обработки. Практическая значимость и перспективность результатов работы заключается в возможности повышения эффективности процессов профильного шлифования за счет рационального использования ресурса работоспособности инструмента.

Введение. Одно из динамично развивающихся направлений повышения эффективности станков с ЧПУ связано с использованием синергетической концепции при определении программы ЧПУ. При этом используется принцип расширения-сжатия размерности пространства состояния. Предмет. В статье на примере обработки детали, параметры жесткости которой являются функцией траектории движения инструмента, излагаются все этапы синтеза управления, при котором обеспечивается взаимосогласованность динамических подсистем, в том числе с процессом резания. Цель работы. Определение асимптотически устойчивой траектории движения исполнительных элементов станка, задаваемой параметрами программы ЧПУ, из множества траекторий, для которых выполняется условие минимума интенсивности изнашивания. Метод и методология. Приводится математическое моделирование управляемой системы резания, в основе которого лежит принцип расширения-сжатия пространства состояния. При расширении размерности пространства состояния в модель динамической системы резания включаются все элементы от системы ЧПУ, программирующей движения исполнительных элементов, до упругих деформаций инструмента, который взаимодействует с заготовкой через связь, формируемую процессом резания. Динамическая связь объединяет подсистемы в единую связанную систему управления. В этом пространстве конструируется желаемая траектория формообразующих движений вершины инструмента относительно заготовки, которая должна быть аттрактором всего пространства состояния. Преобразование желаемой траектории в аттрактор характеризует процедуру сжатия размерности пространства состояния. При этом полагается возможность управления траекториями движения исполнительными элементами в пределах полос пропускания серводвигателей. Результаты и обсуждения. Выполнен анализ устойчивости процесса резания, приводится пример эффективности построения программы ЧПУ на основе синергетической парадигмы. Показано, что при согласовании внешнего управления с внутренней динамикой системы можно повысить производительность изготовления детали до двух раз по машинному времени.

Введение. Свойства сталей определяются многими факторами, в том числе и процессом изготовления и последующей обработкой. Некоторые особенности данных процессов приводят к тому, что в стали кроме легирующих элементов, вводимыхдля получения определенного уровня физико-механических свойств, присутствуют и посторонние примеси, попадающие в нее на различных этапах. Посторонние элементы могут растворяться как в матрице основного материала, так и участвовать в образовании частиц неметаллических включений, выступающих в роли дефектов. Их наличие существенным образом сказываются на эксплуатационных характеристиках материала. Именно потому необходимо понимание процессов приводящих к появлению неметаллических включений и влияющих на их форму. Цель работы: рассмотреть влияние термической обработки, приводящей к появлению ферритно-мартенситной структуры, на форму и размеры неметаллических включений; определить их влияние на физико-механические свойства материала. В работе исследованы образцы стали 09Г2С после термической обработки, изготовленные из листового проката. Методы исследования. Для исследования свойств и структуры стали 09Г2С в работе применялись: растровый электронный микроскоп - для изучения структуры материала, химического состава в локальной области и исследуемой площадке и определения скопления примесей элементов; программно-аппаратный комплекс SIAMS 800 – для сопоставления структуры материала с атласом микроструктур, определения балла зеренной структуры, различий в структурно-фазовом составе, возникающих при термической обработке; портативный рентгенофлуоресцентный анализатор металлов и сплавов X-MET 7000 – для определения химического состава исследуемых образцов в процентном отношении; твердомер по Виккерсу с предварительной нагрузкой 20 кг – для измерения твердости исследуемых образцов. Результаты и обсуждения. Обнаружено, что в низколегированной малоуглеродистой конструкционной стали 09Г2С в большинстве случаев присутствуют неметаллические включения типа сульфид марганца, образующегося при процессе производства этой стали. При нагреве стали до температур межкритического перехода данное соединение образуется в области зеренных границ в виде сферических включений. Наличие включений существенным образом отражается на прочностных и коррозионных свойствах. Сульфид марганца выступает в роли точки зарождения процесса коррозии.

Введение. Плазменное напыление является одним из современных и эффективных методов нанесения покрытий различного назначения и состава. С помощью потоков термической плазмы можно напылять практически любые порошковые материалы (металлические, керамические, металлокерамические). Плазменное напыление многослойных защитных покрытий может быть успешно применено для повышения стойкости прошивных оправок, являющихся основным инструментом при производстве полых заготовок. Целью данной работы являлось изучение химического состава, структуры и микротвердости многослойных высокотемпературных покрытий двух разных составов, нанесенных методом плазменного напыления, предполагаемых к использованию для повышения долговечности прошивных оправок. Материалы и методы исследования. Нанесение многослойных покрытий двух составов осуществляли на установке плазменно-порошкового напыления с контактным возбуждением дугового разряда УПН-60КМ ТСП2017. Покрытия были получены последовательным наплавлением трех слоев разными порошковыми составами. После напыления всех трех слоев покрытия проводили окислительный отжиг при температуре 900 °С для создания плотного слоя окалины FeO + Fe2O3 + Fe3O4 на поверхности. Химический состав покрытий исследовали методом микрорентгеноспектрального анализа на сканирующем электронном микроскопе TESCAN с приставкой OXFORD. Микроструктуру покрытий исследовали на металлографическом микроскопе NEOPHOT. Фазовый рентгеноструктурный анализ выполняли на дифрактометре SHIMADZU в Kα-излучении хрома. Микротвердость измеряли на твердомере LEICA при нагрузке 50 г. Результаты и обсуждение. Установлен характер распределения химических элементов по толщине покрытия, состоящего из четырех слоев: внутреннего металлического слоя, обеспечивающего защиту от высокотемпературной коррозии; переходного металлического слоя, предназначенного для выравнивания теплофизических свойств между слоями; металлооксидного слоя α-Fe и оксидов железа и внешнего термобарьерного оксидного слоя FeO + Fe2O3 + Fe3O4. Покрытия характеризуются неоднородным распределением структурных составляющих и микротвердости по его толщине. Микротвердость внутреннего слоя достигает 1400 HV 0,05, переходного слоя – 800 HV 0,05, металлооксидного слоя – 300 HV 0,05.

Введение. Подход, основанный на комплексном модифицировании чугунов, позволяет добиться существенного улучшения их механических свойств за счет изменения структуры металлической матрицы, а также формы графита и его распределения. Целью работы является изучение влияния легирующих элементов на структуру и механические свойства серого чугуна, предназначенного для эксплуатации в условиях фрикционного изнашивания. Методы исследования. В статье описан процесс получения комплексно модифицированного чугуна, изучены его механические свойства и микроструктура. Проведены фрактографические исследования динамически разрушенных образцов. Изучены детали строения структурных составляющих чугунов СЧ35, ЧМН-35М и СЧКМ-45. Проведены триботехнические испытания серых чугунов по схеме трения скольжения. Результаты и их обсуждение. Установлено что комплексное модифицирование серого чугуна марки СЧ35 молибденом, никелем и ванадием позволяет повысить уровень его твердости до 295 НВ и предел прочности при растяжении до 470…505 МПа. Введение в состав серого чугуна никеля (0,4…0,7 масс. %), молибдена (0,4…0,7 масс. %) и ванадия (0,2–0,4 масс. %) приводит к двукратному уменьшению межпластинчатого расстояния в перлите, а также к измельчению зерна металлической матрицы. Длина графитных пластин в результате модифицирования чугуна уменьшается в 3–5 раз. Дополнительное влияние на предел прочности чугуна обусловлено легированием молибденом и ванадием феррита, выделяющегося по границам графитных включений. Легирование феррита молибденом и ванадием повышает уровень его микротвердости в 1,4 раза по сравнению с α-фазой серийного чугуна СЧ35. Представлены результаты триботехнических испытаний разработанного материала. Заключение. Установлено, что износ образцов из чугуна СЧКМ-45 примерно на 20…30 % ниже по сравнению с чугуном СЧ35 и на 10…15 % ниже по сравнению с чугуном ЧМН-35М. Фрактографические исследования свидетельствуют о том, что комплексное легирование молибденом, ванадием и никелем способствует измельчению колоний перлита, что приводит к уменьшению размеров фасеток скола.

Введение. Обрабатывающие производственные процессы в той или иной степени связаны с получением отходов металлообработки в виде металлической стружки. Развитие технологий утилизации и переработки отходов машиностроительного производства является востребованным решением как в целях ресурсосбережения, так и с экологической точки зрения. Среди множества традиционных подходов к проблеме вторичного использования металлической стружки наиболее интересным может быть способ использования стружки как одного из компонентов в порошковом материале. Целью работы является анализ возможности использования отходов металлообработки стальных заготовок из стали 45 (металлическая стружка) в порошковых композициях на основе титана и алюминия не только как источник железа, но и как возможный источник оксида Fe2O3. Внимание к оксиду было уделено с точки зрения инициирования в порошковой смеси на основе титана и алюминия реакций восстановления с образованием оксидной фазы Al2O3 для получения металломатричного композита. Методы исследования: для использования в порошковых композициях с титановым и алюминиевым порошками стальная стружка от обработки заготовок из стали 45 была дополнительно окислена в воде и измельчена в вибромельнице до средних размеров частиц 300 мкм. Измельченную и окисленную стружку смешивали с порошками титана и алюминия в различных пропорциях, чтобы изучить ее взаимодействие с этими порошковыми компонентами. Полученные смеси прессовали в виде цилиндрических образцов и спекали в вакуумной печи при температуре 1000 °С. Фазовый состав и микроструктуру исследовали с помощью рентгеновского дифрактометра XRD-6000 с CuKα-излучением и оптического микроскопа AXIOVERT-200MAT. Результаты и обсуждения. Показано, что после фрезерной обработки без использования СОЖ стружка из стали 45 не аккумулировала заметный объем оксидов железа, что потребовало дополнительных окислительных процедур. Рассмотрено взаимодействие измельченной окисленной стружки с компонентами порошковых смесей, показано ее влияние на объемные изменения прессовок и структурообразование металломатричных композитов. Результаты оптической металлографии и рентгеноструктурного анализа (РСА) спеченных порошковых композиций с использованием окисленной измельченной стружки стали 45 позволили дать оценку протекающим процессам структурообразования в зависимости от сочетания взаимодействующих компонентов, их взаимному влиянию и перспективам получения композитов с дисперсной оксидной фазой.

Статья содержит обзор исследований, связанных с использованием синхротронной компьютерной ламинографии при изучении особенностей строения металлических сплавов, подвергнутых различным методам внешнего воздействия. Введение. Отражена важная роль рентгеновского излучения в области исследования материалов. Сопоставлены возможности стандартных рентгеновских приборов, оснащенных рентгеновскими трубками, и современных источников синхротронного излучения (СИ), характеризующихся уникальными параметрами. Методы изучения плоских образцов. Томография и синхротронная ламинография. Информативным методом, основанным на использовании синхротронного рентгеновского излучения, является компьютерная томография (SRCT), позволяющая получать изображения сечений изучаемых объектов путем обработки множества абсорбционных рентгенограмм. Представлена краткая классификация томографов пяти поколений. Проблем, возникающих при получении данных от некомпактных (неизометричных) образцов, удается избежать при использовании метода синхротронной компьютерной ламинографии (SRCL), который сочетает в себе принципы ламинографии с преимуществами синхротронной визуализации. В настоящее время метод применяется для неразрушающего контроля неизометричных объектов на ряде источников синхротронного излучения (ESRF, ANKA, Spring-8). Разрешение компьютерной синхротронной ламинографии. Использование монохроматического излучения при реализации метода компьютерной ламинографии является фактором, обеспечивающим высокое пространственное разрешение, вплоть до микронного и субмикронного масштаба. Не менее важный фактор связан с характеристиками используемого детектора. При использовании наноламинографии получены изображения с разрешением ~ 100 нм. Сравнение методов ламинографии и томографии. Метод дополненной ламинографии (Augmented laminography). Метод дополненной ламинографии (Augmented laminography) позволяет повысить качество изображений за счет дополнения пространства Фурье, анализируемого при реализации ламинографии, информации, полученной при использовании компьютерной томографии с более низким разрешением. Реконструкция, выполненная с использованием метода Augmented laminography, характеризуется отсутствием существенных артефактов и высоким разрешением. Реализация метода ламинографии. Угол наклона поворотной оси q при реализации метода SRCL связан с геометрией образцов и в каждом случае определяется экспериментально. С целью достижения необходимого разрешения величина q должна обеспечить оптимальное среднее значение интенсивности прошедшего излучения. Энергию рентгеновского излучения рассчитывают исходя из характеристик материала, а именно с учетом показателя поглощения излучения. Для реконструкции изображений исследуемых объектов используют программные комплексы, реализующие метод фильтрованной обратной проекции, основанный на преобразовании Радона. Примеры использования ламинографии для анализа образцов из металлических сплавов. Метод ламинографии может быть использован при выполнении in situ исследований, что позволяет в режиме реального времени контролировать процессы, развивающиеся в различных условиях внешнего воздействия, например, при пластической деформации металлических пластин. Интерес представляют данные о формировании в процессе нагружения металлических заготовок дефектов типа пор. В литературе описаны многочисленные примеры применения post-mortem исследований металлических сплавов различного назначения. Важная информация получена при изучении усталостных трещин, а также дефектов, возникающих в процессе контактно-усталостного нагружения материалов. Заключение. Реализация методов SRCT и SRCL рациональна на строящемся в Новосибирске источнике синхротронного излучения поколения 4+ «СКИФ».