Том 23, № 3 (2021)

Введение. Чугуны крайне плохо переносят термические циклы сварки, в связи с чем требуется тщательно выбирать технологические параметры. Основными параметрами непрерывной лазерной сварки являются: мощность лазерного излучения, скорость сварки, параметры фокусирующей системы. Цель работы заключается в определении оптимальной мощности и скорости непрерывной лазерной сварки чугуна в зависимости от геометрии сварного шва. В работе исследованы сварочные швы, полученные на образцах из серого нелегированного чугуна с перлитной металлической основой, на иттербиевом волоконном лазере ЛС-1. Методы исследования. Количественную оценку геометрические параметры швов провели в программе для количественного анализа и обработки изображений ImageJ. Полученные данные обработали методом регрессионного анализа. Для оптимизации параметров процесса составили ортогональный план пассивного эксперимента, включающий 9 опытов, в которых факторы варьировались на 3 равноотстоящих уровнях. Параметрами качества в пассивном эксперименте являлись геометрические размеры сварочной ванны и размеры зоны закалки. Для решения оптимизационной задачи использовали методы серого реляционного анализа и линейного программирования. Результаты и обсуждения. Полученные регрессионные модели объясняют значительную долю дисперсии зависимых переменных, коэффициенты регрессии, как и сами модели, статистически значимы, что свидетельствует о тесной линейной взаимосвязи между геометрией шва и параметрами процесса. Расчетная форма сварочной ванны в зависимости от мощности излучения и скорости сварки показывает, что сварочный шов требуемых размеров может быть получен при различных параметрах процесса, что позволяет решать многокритериальную оптимизационную задачу. Серая реляционная оценка геометрических параметров шва показывает, что наиболее подходящими параметрами с точки зрения получения шва максимальной глубины с минимальной шириной, выпуклостью (вогнутостью) и зоной закалки являются минимальная мощность и максимальная скорость сварки. Расчет оптимальной мощности излучения и скорости сварки в зависимости от глубины шва показал, что сварку малых толщин оптимально вести с минимальной мощностью, а глубину шва регулировать путем изменения скорости луча. Сварка больших толщин оптимальна на высокой скорости, при этом для увеличения глубины шва мощность должна возрастать.

Введение. В обрабатывающей промышленности наблюдается особый интерес к разработке нового типа технологического оборудования, позволяющего реализовать методы модифицирования поверхностных слоев деталей путем их обработки источниками концентрированной энергии. Совмещение двух обрабатывающих технологий (механической и поверхностно-термической операции) в условиях интегрального оборудования позволяет нивелировать недостатки монотехнологий и получить новые эффекты, недостижимые при использовании технологий по отдельности. Применения гибридных станков в совокупности с разработанными технологическими рекомендациями позволит достичь многократного роста технико-экономической эффективности производства, ресурсо- и энергосбережения, что, в свою очередь, будет способствовать повышению конкурентоспособности выпускаемой продукции и обновлению технологического уклада. Цель работ: повышение производительности и снижение энергозатрат при поверхностно-термическом упрочнении деталей машин посредством воздействия концентрированными источниками энергии в условиях интегральной обработки. Теория и методы. Исследования возможного структурного состава и компоновки гибридного оборудования при интеграции механических и поверхностно-термических процессов производились с учетом основных положений структурного синтеза и компонетики металлообрабатывающих систем. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений системного анализа, геометрической теории формирования поверхностей, конструирования металлообрабатывающих станков, методов конечных элементов, математического и компьютерного моделирования. Математическое моделирование тепловых полей и структурно-фазовых превращений при ВЭН ТВЧ осуществлялось в программных комплексах ANSYS и SYSWELD, использующих численные методы решения дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности (уравнение Фурье), диффузии углерода (2-й закон Фика) и упругопластического поведения материала. Верификация результатов моделирования осуществлялась проведением натурных экспериментов с применением оптической и растровой микроскопии; механического и рентгеновского методов определения остаточных напряжений. В исследовании для одновременного измерения отклонений формы, волнистости и шероховатости поверхности применял профилограф-профилометры Uone JD520 и Form Talysurf Series 2. Оценку топографии поверхности производили на лазерном профилографе-профилометре Zygo New View 7300. Микротвёрдость упрочненного поверхностного слоя деталей оценивали на приборе Wolpert Group 402MVD. Результаты и обсуждение. Представлена оригинальная методика проведения структурно-кинематического анализа для предпроектных исследований гибридного металлообрабатывающего оборудования. Разработаны методологические рекомендации по модернизации металлорежущих станков, выполнение которых позволит реализовать высокоэнергетический нагрев токами высокой частоты (ВЭН ТВЧ) на стандартной станочной системе и обеспечить формирование наукоемкого технологического оборудования с расширенными функциональными возможностями. Предложен единый интегральный параметр температурно-временного воздействия на конструкционный материал при назначении режимов упрочнения концентрированными источниками нагрева, гарантирующих требуемый комплекс показателей качества поверхностного слоя деталей машин, при обеспечении энергоэффективности и производительности обработки в целом. Экспериментально подтверждено, что внедрение в производство предлагаемого гибридного станка в совокупности с разработанными рекомендациями по назначению режимов ВЭН ТВЧ в условиях интегральной обработки детали типа «Втулка плунжерная» по отношению к заводской технологии позволяет повысить производительность поверхностной закалки в 3,5…4,1 раза, и снизить энергозатраты в 9,5…11,3 раза.

Введение. Эффективность обработки на металлорежущих станках оценивается приведенными затратами на изготовление партии деталей при обеспечении требуемого качества. В современном производстве детали изготавливаются, как правило, на станках с ЧПУ. На сегодняшний день соответствие программы ЧПУ и траекторий исполнительных элементов станка обеспечивается с высокой точностью, которая, однако, еще не гарантирует качество и эффективность изготовления. В основу определения программы ЧПУ положена база знаний о рациональных режимах, инструменте, смазочно-охлаждающей жидкости при обработке. Эта база отражает некоторое усреднение по множеству станков, инструментов и условий обработки. Не принимаются во внимание изменения свойств динамической системы в процессе резания. Предмет. В статье рассматривается синергетическое согласование внешнего управления (программы ЧПУ) и динамики резания (внутреннее управление). Факторы внутреннего управления могут быть заданы априорно, а также определены в результате влияния необратимых преобразований энергии в зоне резания. Цель работы – определить закон управления траекториями исполнительных элементов станка таким образом, чтобы при изменяющихся свойствах динамической системы резания в ходе обработки детали обеспечивались требуемое качество поверхности детали и минимизация интенсивности изнашивания инструмента. Метод и методология. Приводится математическое моделирование управляемой динамической системы, свойства которой изменяются за счет априорно заданных законов вариации параметров подсистем, а также изменения свойств резания, обусловленных мощностью необратимых преобразований энергии. Рассмотрение мощности необратимых преобразований энергии необходимо для прогнозирования износа по задней грани, изменения параметров динамической связи и эволюционной перестройки динамики резания. Результаты и обсуждения. Раскрыта закономерность согласования программы ЧПУ с изменяющимися свойствами процесса резания, позволяющими повысить эффективность обработки при обеспечении требуемого качества деталей. Выявлен и проанализирован ряд свойств динамической системы резания, обусловленный изменением траектории скорости продольной подачи инструмента при обработке вала, изменение жесткости которого задано.

Введение. В связи с расширяющимся практическим значением нестехиометрических карбидов титана TiCх в различных областях техники и в медицине важное значение имеют исследования как способов получения порошка карбида титана, так и его свойств в широком диапазоне изменения стехиометрии. Одним из эффективных способов воздействия на физико-механические свойства порошковых систем является их механическая обработка. При ударно-сдвиговом воздействии, реализующемся при обработке в шаровой мельнице, порошковой системе передается механическая энергия, в результате чего происходит ее измельчение, формирование центров с повышенной активностью на вновь образованных поверхностях, возможна реализация фазовых превращений, деформация кристаллической решетки, аморфизация, образование дефектов и т. п. Цель работы: исследование влияния низкоэнергетической механической обработки в шаровой мельнице на структуру, фазовый состав и параметры тонкой кристаллической структуры нестехиометрического порошка карбида титана, полученного восстановлением оксида титана углеродом и кальцием. Материалы и методы. Исследовали порошок карбида титана TiC, полученный карбидно-кальциевым восстановлением оксида титана. Порошок подвергали механической обработке в шаровой мельнице барабанного типа. Структуру порошков до и после обработки изучали на  растровом электронном микроскопе Philips SEM 515. Площадь удельной поверхности определяли методом БЭТ. Фазовый состав и параметры тонкой кристаллической структуры порошковых материалов исследовали методом рентгенофазового и рентгеноструктурного анализа. Результаты и обсуждение. В работе установлено, что увеличение продолжительности механической обработки в шаровой мельнице нестехиометрического порошка карбида титана TiC0,7 приводит к увеличению площади удельной поверхности порошка с 0,6 до 3,4 м2/г, а рассчитанный из нее средний размер частиц уменьшается с 2 мкм до 360 нм. Показано, что в процессе обработки порошка нестехиометрического карбида титана TiC0,7 происходит изменение его структурно фазового состояния. Частицы порошка состоят из двух структурных составляющих с различным атомным отношением углерода к титану: TiC0,65 и TiC0,48. Механическая обработка порошка карбида титана приводит к уменьшению микронапряжений кристаллической решетки TiCx и размеров ОКР с 55 до 30 нм для фазы TiC0,48. А для фазы TiC0,65 с увеличением продолжительности механической обработки, так же как и для TiC0,48, размер ОКР понижается, а уровень микроискажений кристаллической решетки растет. Это свидетельствует о том, что в процессе механической обработки происходит не только измельчение частиц порошка, но и увеличение их дефектности.

Обоснование. Снижение уровня накопления повреждений в процессе обработки материалов давлением в условиях повышенных температур в режимах ползучести и близких к сверхпластичности при изготовлении деталей может давать существенное увеличение их эксплуатационного ресурса в холодном состоянии. Нахождение температурно-силовых режимов, ведущих к уменьшению поврежденности материала в процессе производства и эксплуатации, – важная задача. Цель работы. Показать возможность использования модели ползучести и повреждаемости Соснина – Горева для сплавов с немонотонной зависимостью предельной деформации на диаграммах с кривыми ползучести. На примере сплава с такой зависимостью провести сравнительный анализ накопления повреждений двух способов деформирования в условиях одноосного растяжения: когда в сечении напряжение постоянно и когда постоянна скорость деформации. Методы исследования. Используется скалярный параметр поврежденности, который приравнен к нормированной деформации, т. е. к отношению текущей деформации к деформации при разрушении. Для нахождения коэффициентов определяющих соотношений проверяется подобие кривых ползучести в нормированных величинах «приведенная деформация – приведенное время», т. е. наличие единой нормализованной кривой накопления повреждений. Аппроксимация экспериментальных данных выполняется на основе метода наименьших квадратов. Для сравнительного анализа режимов деформирования используются методы численного интегрирования. Результаты и обсуждение. Определение параметров уравнений ползучести и повреждаемости по методике «единой кривой» продемонстрировано на примере экспериментальных данных для стали 12Х18Н10Т (steel 12Cr18Ni10Ti) при 850 ºС, имеющей минимум предельной деформации на диаграммах с кривыми ползучести. Анализ статического и кинематического режимов деформирования для исследуемого материала показал, что накопление повреждений в обоих случаях практически одно и то же для напряжений, близких к напряжению, при котором этот минимум достигается. Если напряжения ниже этого диапазона, то меньший уровень накопления повреждений будет при кинематическом режиме деформирования; при напряжениях выше значений этого диапазона к меньшему уровню накопления повреждений будет приводить статический режим. Область применения. Полученные результаты могут быть полезны при выборе рациональных режимов формования элементов конструкций из сплавов с немонотонной зависимостью предельной деформации от напряжения, а также при их оценке на длительную прочность в процессе эксплуатации.