Том 24, № 2 (2022)
- Год: 2022
- Статей: 7
- URL: https://journals.rcsi.science/1994-6309/issue/view/19945
- Описание:
Весь выпуск
ТЕХНОЛОГИЯ
Технология механической обработки, цифровое моделирование и реализация устройства для контроля формы крупногабаритных деталей
Аннотация
Введение. Разработка способа контроля параметров точности крупногабаритных тел вращения представляет собой актуальную задачу, которая решается специалистами из различных отраслей. Возникновение погрешностей формы связано не только с большими габаритами и массами, но и условиями базирования самих агрегатов, при которых положение оси вращения непостоянно. Показано применение методики для коррекции механической обработки на основе измерения параметров формы поверхности непосредственно в процессе обработки. Цель работы: совершенствование мобильных технологий обработки с использованием специальных измерительных устройств и обрабатывающих модулей. Для этого решены задачи разработки и анализа математических моделей, описывающих процесс базирования и механической обработки бандажа как цилиндрического объекта с нестационарной осью вращения. Предлагаемая методика исследована, разработаны схемы контроля и реализовано оборудование для мобильной механической обработки. Методами исследования являются анализ разработанных математических моделей с позиции назначения эффективных технологических режимов, имитационное моделирование обработки, программно-аппаратная реализация предложенных решений, статистическая обработка результатов измерений. Результаты и обсуждение. Алгоритм и методика протестированы с помощью имитационной трехмерной модели. Представленная методика измерений и расчета припуска для восстановительной обработки позволяет сократить время обработки по сравнению с технологией с активным контролем формы и по сравнению с традиционной методикой назначения припуска для обработки. Измерение и корректировка припуска на основе данных измерения производятся не после каждого измерения, а только в случае перехода к чистовым переходам или для контроля процесса выполнения. Определено, что при обеспечении единой технологической базы на каждый отдельный технологический переход в рамках мобильной технологии механической обработки поверхности катания бандажей технологических барабанов повышается точность и скорость обработки. Разработана оригинальная конструкция устройства для контроля параметров, изготовлена экспериментальная установка и лабораторная модель бандажа.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022;24(2):6-24
6-24
Теоретическое моделирование процесса промывки межэлектродного пространства при копировально-прошивной электроэрозионной обработке изделий, выполненных из полимерных композитных материалов
Аннотация
Введение. Полимерные композитные материалы (ПКМ) используются для повышения механических свойств и увеличения сроков эксплуатации годных изделий. Для обработки изделий, выполненных из ПКМ, целесообразно применение электрофизических методов обработки. Одним из таких методов является копировально-прошивная электроэрозионная обработка (КПЭЭО). Применение таких методов обработки ПКМ обусловлено их высокими физико-механическими свойствами и сложностью обработки лезвийными методами. Ввиду того, что одним из элементов ПКМ является связующее – эпоксидная смола, которая в процессе электроэрозионной обработки разрушается на кромках получаемых отверстий и пазов, ПКМ можно считать труднообрабатываемым материалом. Во время КПЭЭО отверстий в изделиях из ПКМ происходит повышение температуры, зачастую вызванное неэффективным охлаждением в зоне обработки. Статья посвящена теоретическому моделированию в пакете Ansys, позволяющему оценить влияние способа промывки на эффективность КПЭЭО изделий из ПКМ на основе численного моделирования в программных системах конечно-элементного анализа. Целью работы является повышение производительности процесса КПЭЭО изделий, выполненных из ПКМ. Методы. Экспериментальные исследования проводились по методу классического эксперимента на копировально-прошивном электроэрозионным станке Smart CNC. Заготовка подвергалась обработке при постоянном напряжении U = 50 B, времени включения импульса Ton = 100 мкс и силе тока I = 10 A. Для теоретического моделирования потока использовалось программное обеспечение ANSYS CFX 20.1. Моделирование распределения потоков проводилось при трех значения глубины обработки (2, 10, 15 мм), а также при трех значениях угла наклона форсунок (15°, 45°,75°). Результаты и обсуждения. Анализ полученных данных показал, что при КПЭЭО ПКМ следует учитывать угол расположения форсунок промывки для увеличения производительности обработки глубоких глухих отверстий. Установлено, что наибольшее значение производительности достигается при расположении форсунок под углом 15?. Преобладает ламинарное движение. При данном расположении форсунок значение давления жидкости и вывод шлама являются стабильными как при КПЭЭО ПКМ на глубину 2 мм, так и при обработке на глубину 15 мм. Отмечено, что для обработки отверстий глубиной 10 мм и более стоит учитывать угол наклона форсунки промывки, для эффективной обработки из зазора необходимо удалить эродированные частицы. В процессе проведения экспериментального исследования при обработке отверстий глубиной 15 мм наблюдались налипания шлама на электрод-инструмент, а также замыкание процесса КПЭЭО, возникновение вторичных разрядов в зоне обработки, что вызывало остановку процесса обработки.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022;24(2):25-38
25-38
Деформации в нестационарной стадии прессования прутка из алюминиевого сплава с малым коэффициентом вытяжки
Аннотация
Введение. Отмечено, что прессование является основным заготовительным процессом в обработке давлением алюминиевых сплавов. При этом сам процесс обладает таким недостатком, как нестационарность пластического течения металла. Целью работы является установление уровня деформационной неоднородности передней части отпрессованного прутка путем численного моделирования с применением метода конечных элементов. Задачами исследования являются формулировка граничных условий процесса прессования, получение решения и оценка степени неоднородности. Методы исследования: для оценки деформированного состояния применили метод конечных элементов. Последовательность действий включала создание начальной формы очага деформации и конфигурации инструмента. Взаимное перемещение инструмента и деформируемого материала задано с помощью соответствующих граничных условий. Деформируемая среда – пластический материал со степенным упрочнением, физико-механические свойства соответствуют алюминиевому сплаву серии 6000. Результаты и обсуждение. Выявлено, что степень деформации в передней части отпрессованного изделия распределена крайне неравномерно, различия зафиксированы выше 300 %. Построены зависимости распределения степени деформации в поперечных сечениях прутка в зависимости от расстояния от переднего торца при различных относительных радиальных координатах. Выявлено, что центральные слои прутка приобретают постоянный уровень степени деформации раньше, чем периферийные слои, т. е. для них стационарность процесса достигается при меньшем перемещении металла. Областью применения результатов работы является технологическая проработка рационального раскроя металла на финишной стадии прессового передела алюминиевых сплавов с целью более рационального использования возвратных отходов. Выводы. В процессе прессования с малым коэффициентом вытяжки степень деформации распределяется неравномерно как по поперечному сечению пресс-изделия, так и по его длине. В нестационарной начальной стадии прессования передняя часть прутка остается слабо деформированной как на периферии, так и в центре, что часто вынуждает отправлять ее на переплав вследствие недостаточно проработанной структуры металла. В то же время, если установить ограничения на минимально возможную степень деформации, то по результатам расчета методом конечных элементов можно установить минимальную длину удаляемого металла, за счет чего удастся снизить массу отходов, направляемых в переплав.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022;24(2):39-49
39-49
Особенности наложения ультразвуковых колебаний в процессе сварки
Аннотация
Введение. Основной проблемой получения сварочных соединений является неравномерный нагрев зоны соединения, что приводит к различиям структуры и свойств между металлом шва и основным металлом. Одним из способов интенсификации процесса сварки является применение ультразвуковых колебаний. В результате анализа способов введения ультразвуковых колебаний в ванну расплава для проведения экспериментальных исследований выбран способ наложения колебаний на свариваемые элементы, так как данный способ позволяет оказывать воздействие на протяжении всего сварочного цикла от формирования ванны расплава до полной кристаллизации металла. Методика исследований. Проведение экспериментальных исследований осуществлялось на пластинах из углеродистой конструкционной стали Ст3 и алюминиевого деформируемого неупрочняемого сплава АМг4. В качестве источника колебаний применялась стержневая магнитострикционная колебательная система, торец которой жестко закреплялся на одной из свариваемых пластин. Для определения мест приложения источника колебаний и зоны сварки предложен метод расчета на основе равенства резонансных частот используемой колебательной системы и собственной частоты свариваемого элемента. Показано, что оптимальными местами для приложения колебаний и проведения сварки будут пучности колебаний, имеющие максимальную амплитуду. Получение швов осуществлялось методом полуавтоматической сварки в среде защитных газов. Результаты и обсуждение. Исследование микроструктуры полученных образцов показало значительное уменьшение доли дендритной ликвации. Изменения структуры являются следствием эффектов, возникающих в жидком расплаве, при введении ультразвуковых колебаний. Основными эффектами являются звуковое давление, кавитация и акустические течения. Возникающие эффекты оказывают влияние на кинетику процесса кристаллизации – увеличивается степень переохлаждения, увеличивается количество образуемых в единицу времени зародышей кристаллизации и уменьшается скорость их роста. Изменения структуры металла шва приводят к повышению качества сварного соединения, у которого снижаются сварочные деформации, увеличивается временное сопротивление и значительно повышается пластичность.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022;24(2):50-66
50-66
ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ
К вопросу об ограничении неравномерности движения технологической машиныв заданных пределах
Аннотация
Введение. Задача регулирования колебаний скоростей для любого механизма имеет существенное значение, так как временной интервал этого движения является рабочим временем, в течение которого выполняется основная технологическая операция. В этом случае может возникнуть вопрос о регулировании скоростей движения как во время разгона, холостого хода машины, так и во время выполнения основной технологической операции. Основным качественным показателем удовлетворительной работы любой машины является коэффициент неравномерности движения, величина которого зависит от отношения максимальной, минимальной и средней скорости движения вала приведения. Особенно остро ставится задача определения коэффициента неравномерности движения машины с учетом характеристики двигателя. В этом случае машину рассматривают как систему, состоящую из одной массы. Упругостью элементов, входящих в машину, пренебрегают. Анализ научной литературы по данному направлению указывает на то, что вопросам исследования неравномерности вращения и ее влияния на динамику механизмов уделено недостаточно внимания, особенного это касается решения уравнений с учетом характеристики двигателя. Целью данной работы является разработка методики, позволяющей определять и регулировать неравномерность вращения вала приведения с учетом характеристики двигателя, сил полезного сопротивления и инерции масс механизма. Актуальность исследования обусловлена отсутствием единой методики, позволяющей регулировать неравномерность вращения вала приведения на стадии проектирования механизмов подобного типа. Теория и методы. Для определения уравнения движения машины в дифференциальной форме предлагается использовать уравнение Лагранжа второго рода. Математическое моделирование проводилось с использованием пакетов прикладных программ Mathcad и КОМПАС-3D. Результаты и обсуждение. Представлена методика, позволяющая регулировать неравномерность вращения вала. Для определения величины коэффициента неравномерности средствами CAE системы Mathcad определены его значения, а также выявлены закономерности изменения данных показателей при суммарных значениях эксплуатации, находящихся в пределах 22…46 Н·м. Анализ результатов проведенных расчетов указывает на то, что коэффициент неравномерности вращения вала приведения составляет 0,101. Предусмотрена возможность изменения этого коэффициента за счет коррекции приведенного момента инерции введением дополнительного маховика или изменением вращающего момента вала электродвигателя. Полученные результаты исследований позволили выработать конкретные рекомендации по модернизации конструкций приводов машин, предназначенных для перемешивания сыпучих материалов, и наметить пути дальнейших исследований в этом направлении.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022;24(2):67-77
67-77
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Электроискровое осаждение порошка диборида хрома на нержавеющую сталь AISI 304
Аннотация
Введение. Аустенитная нержавеющая сталь AISI 304 является наиболее широко используемым типом нержавеющих сталей. Однако она подвержена износу вследствие недостаточно высокой твердости, а также начинает интенсивно окисляться на воздухе при температурах выше 800 °С. Применение покрытий на основе борида хрома может улучшить ее триботехнические свойства и жаростойкость. Цель работы: исследования влияния концентрации диборида хрома в анодной смеси на структуру, поведение при изнашивании, жаростойкость и коррозионные свойства электроискровых покрытий на стали AISI 304. Методы исследования. Электроискровая обработка стали AISI304 осуществлялась в смеси железных гранул с добавкой порошка CrB2 5, 10 и 15 об.%. Структуру покрытий изучали методами рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа. Износостойкость покрытий исследовалась в условиях сухого трения при нагрузке 10 Н. Испытание на жаростойкость проводилось при температуре 900 оС в течение 100 часов. Результаты и обсуждение. По данным рентгенофазового анализа показано, что в условиях электроискрового воздействия CrB2 взаимодействует с расплавом железа, приводя к формированию боридов хрома и железа. Коррозионные свойства, микротвердость, коэффициент трения и износ были исследованы по сравнению со сталью AISI304. Образцы с покрытиями показали более низкий потенциал и ток коррозии по сравнению с подложкой в 3,5 %-м растворе NaCl и от 5 до 15 раз более высокую жаростойкость. Микротвердость покрытий возрастала от 6,25 до 7,60 ГПа при увеличении добавки диборида хрома в электродной смеси. Коэффициент трения и интенсивность изнашивания всех покрытий были ниже, чем у нержавеющей стали AISI 304, при этом лучшими триботехническими характеристиками обладало покрытие, приготовленное с добавкой 5 об.% диборида хрома.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022;24(2):78-90
78-90
Влияние борирования и алитирования на структуру и микротвердость низкоуглеродистых сталей
Аннотация
Введение. Борирование и алитирование являются одними из наиболее эффективных методов повышения эксплуатационных свойств (коррозионная стойкость, жаро- и износостойкость) деталей машин и инструментов. Твердофазные способы проведения данных методов химико-термической обработки (ХТО) требуют длительной выдержки при высокой температуре, что отрицательно влияет на структуру и свойства материала основы. В связи с эти подбор обоснованных температурно-временных параметров процессов твердофазного борирования и алитирования является актуально задачей. Цель настоящей работы заключается в оценке влияния процессов низкотемпературного борирования и алитирования на структуру и микротвердость диффузионных слоев на поверхности низкоуглеродистых сталей. В работе рассмотрены две марки сталей с содержанием углерода до 0,4 %: низкоуглеродистая сталь Ст3 и легированная сталь 3Х2В8Ф. Использование второй стали вызвано необходимостью выявить влияние легирующих элементов в стали на толщину диффузионных слоев и их состав. В качестве источников бора и алюминия выбраны порошковые смеси на основе карбида бора и алюминия. Результаты и обсуждения. Установлено, что при температуре процесса 900 °С и выдержке 2 часа после борирования на поверхности обеих сталей образуются бориды железа. При этом на стали Ст3 рентгенофазовым анализом (РФА) обнаружено два борида: FeB и Fe2B, а на стали 3Х2В8Ф – только фаза Fe2B. После алитирования обеих сталей образуется алюминий, содержащий фазы, такие как Al5Fe2, Na3AlF6 и Al2O3. Толщина полученного диффузионного слоя на Ст3 после борировании составляет 35 мкм, при алитировании – 65 мкм. Толщина диффузионного слоя на стали 3Х2В8Ф равна 15 мкм после борирования и 50 мкм после алитирования, что значительно меньше, чем на углеродистой стали, и, очевидно, связано с влиянием легирующих элементов. ХТО привела к значительному повышению микротвердости поверхности образцов. Так, максимальная микротвердость стали Ст3 возросла до 1920 HV, а стали 3Х2В8Ф до 1685 HV после борирования. Микротвердость после алитирования сопоставима для обеих сталей и равна 1000…1100 HV. Элементный анализ верхних участков диффузионных слоев показал соответствие содержания бора (7…9 %) и алюминия (50…53 %) обнаруженным РФА боридам и алюминидам железа. Во всех случаях наблюдается плавное снижение диффундирующих элементов по направлению от поверхности к основе.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022;24(2):91-101
91-101