Том 23, № 2 (2021)
ТЕХНОЛОГИЯ
Вероятностная модель удаления поверхностного слоя при шлифовании хрупких неметаллических материалов
Аннотация
Введение. Окончательное качество изделий формируется на финишных операциях, к числу которых относится процесс шлифования. Известно, что при шлифовании хрупких материалов стоимость шлифовальных работ существенно возрастает. Уменьшить разброс показателей качества изделий при шлифовании хрупких материалов, а также повысить надежность и эффективность операции возможно путем выбора оптимальных параметров технологической системы на основе динамических моделей процесса. Однако для описания закономерностей удаления частиц хрупкого неметаллического материала и износа поверхности шлифовального круга в зоне контакта известные модели не позволяют учитывать особенности процесса, при котором сочетаются микрорезание и хрупкое скалывание материала. Цель работы: создание новой вероятностной модели удаления поверхностного слоя при шлифовании хрупких неметаллических материалов. Задачей является исследование закономерностей удаления частиц хрупкого неметаллического материала в зоне контакта. В работе удаление материала в зоне контакта в результате воздействия микрорезания и хрупкого скалывания рассмотрено как случайное событие. Методами исследования являются математическое и физическое моделирование с использованием основных положений теории вероятности, законов распределения случайных величин, а также теории резания и теории деформируемого твердого тела. Результаты и обсуждение. Разработанные математические модели позволяют проследить влияние на съем материала наложения единичных срезов друг на друга при шлифовании отверстий керамических материалов. Предложенные зависимости показывают закономерность съема припуска в пределах дуги контакта шлифовального круга с заготовкой. Рассмотренные особенности изменения вероятности удаления материала при контакте обрабатываемой поверхности с абразивным инструментом и предложенные аналитические зависимости справедливы для широкого диапазона режимов шлифования, характеристик кругов и ряда других технологических факторов. Полученные выражения позволяют найти величину съема материала также для схем торцевого, плоского и круглого наружного шлифования, для чего необходимо знать величину приращения съема за счет хрупкого разрушения в процессе развития микротрещин в поверхностном слое. Одним из путей определения величины этого приращения является имитационное моделирование процесса трещинообразования с помощью ЭВМ. Представленные результаты подтверждают перспективность развиваемого подхода к моделированию процессов механической обработки хрупких неметаллических материалов.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2021;23(2):6-16
6-16
Оценка влияния скорости реакции термодинамической подсистемы на динамику процесса резания при металлообработке
Аннотация
Обоснование. Современные металлообрабатывающие станки с ЧПУ позволяют достигать качественно нового уровня обработки металлов резанием при токарной обработке металлов. При этом удается добиться обеспечения требуемой формы, точности размеров, а также взаиморасположения поверхностей детали. Однако такой показатель качества обработки, как шероховатость обработанной поверхности, связанный с вибрационной активностью инструмента, не всегда отвечает заданным требованиям. Фактором, определяющим вибрационный режим резания в токарном металлорежущем станке, служит фактор самовозбуждения системы резания, обусловленный формируемой в процессе резания дополнительными обратными связями, одной из которых выступает термодинамическая подсистема системы резания, являющаяся предметом исследования. Цель работы. За счет формирования непротиворечивой модели связи между подсистемами, описывающими силовую, тепловую и вибрационную реакцию инструмента, получить адекватное описание механизма снижения вибрационной нагрузки на процесс резания. В работе исследован процесс токарной обработки металлов резанием на металлорежущих станках с подробным описанием взаимодействия между термодинамической, силовой и вибрационной подсистемами системы резания. Методы исследования: натурные и численные эксперименты, в которых для обработки и анализа данных использовался пакет математических программ Matlab. Результаты и обсуждение. Приведены результаты натурных и численных экспериментов, в частности графики изменения координат, описывающих деформацию инструмента, получены массивы данных, отражающих зависимость вибрационной энергии движений инструмента от времени реакции термодинамической подсистемы системы резания. Качественная оценка результатов натурного эксперимента позволяет подтвердить адекватность как самой модели, так и результатов ее моделирования. Область применения полученных в исследовании результатов связана с возможностью предварительной подготовки режущего клина, которая обеспечит заданное значение постоянной времени термодинамической подсистемы, в свою очередь, осуществляющей минимизацию энергии вибрации. Вывод по работе: предложенная в работе математическая модель адекватно описывает механизм влияния температуры на вибрационную нагрузку процесса точения.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2021;23(2):17-30
17-30
Моделирование съема припуска в зоне контакта при внутреннем шлифовании хрупких неметаллических материалов
Аннотация
Введение. Финишные операции, в частности, круглое шлифование, существенным образом формируют параметры качества изделий, их эксплуатационные характеристики и функциональную пригодность. Стоимость шлифовальных работ при этом существенно возрастает по сравнению со шлифованием металлов, достигая в среднем 20…28 % от общих затрат на изготовление изделий. Выбор оптимальных параметров технологической системы на основе моделирования процесса позволяет повысить надежность, производительность и экономическую эффективность. Для описания процессов обработки хрупких неметаллических материалов используются в основном эмпирические зависимости, а существующие аналитические модели не учитывают стохастическую природу операции шлифования и сочетание процессов микрорезания и хрупкого скалывания при удалении частиц хрупкого неметаллического материала и износа поверхности шлифовального инструмента. Цель работы: моделирование съема припуска в зоне контакта при внутреннем шлифовании хрупких неметаллических материалов Задачей является исследование особенностей и закономерностей изменения вероятности удаления материала при контакте обрабатываемой поверхности с абразивным инструментом. В работе получены теоретико-вероятностные модели, позволяющие выявить закономерности съема материала в зоне контакта. Модели позволяют проследить закономерности взаимодействия режущих и колющих зерен на поверхности заготовки и процесса съема припуска в зоне контакта за счет комбинации явлений микрорезания и хрупкого скалывания, рассматриваемых как случайное событие. Методами исследования являются математическое и физическое моделирование с использованием основных положений теории вероятности, законов распределения случайных величин, а также теории резания и теории деформируемого твердого тела. Результаты и обсуждение. Получены данные, дающие наглядную иллюстрацию закономерности удаления материала вдоль зоны контакта на различных уровнях. Анализ полученных результатов показывает, что окружная скорость инструмента и скорость вращения заготовки, которые входят непосредственно в уравнение для расчета вероятности удаления материала, существенно влияют на интенсивность съема материала. Значительным образом оказывает воздействие на съем припуска также поперечная подача. Получена качественная картина изменения вероятности удаления материала в зоне контакта при шлифовании отверстий в хрупких неметаллических материалах Полученные закономерности изменения вероятности удаления материала при контакте обрабатываемой поверхности с абразивным инструментом и аналитические зависимости справедливы для широкого диапазона режимов шлифования, характеристик инструментов и других технологических факторов.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2021;23(2):31-39
31-39
ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ
Контроль зазоров в конструкциях технических изделий в процессе вибрационных испытаний
Аннотация
Введение. Контроль зазоров в технических изделиях является составной частью диагностики этих изделий если наличие зазоров приводит к отклонениям от заданных условий и режимов работы. В том случае, когда изделия подвергаются вибрационным испытаниям, представляется целесообразным использование этих испытаний для обнаружения таких зазоров. Цель работы: разработка методики контроля зазоров в конструкциях технических изделий в процессе вибрационных испытаний по искажениям портретов вынужденных колебаний. Методика исследований. С помощью источников гармонических вибраций в изделиях создавались установившиеся вынужденные колебания, регистрируемые акселерометрами. Сигналы акселерометров трансформировались в портреты вынужденных колебаний. Для построения портретов использовалась вертикальная развертка, пропорциональная сигналу датчика. А горизонтальной разверткой являлась первая гармоника сигнала, сдвинутая по фазе на π/2. Для линейной динамической системы эти портреты являются окружностями. Появление зазоров приводит к искажениям портретов колебаний. Численная оценка искажений определялась так: из ряда Фурье для портрета колебаний вычиталась первая гармоника, в остатке ряда определялся абсолютный максимум за период колебаний. Этот максимум нормировался и принимался за параметр искажений. Описаны два вида нормирования: глобальное и локальное. Управление процессом испытаний осуществлялось с помощью программного обеспечения Test.Lab, в состав которого была введена подпрограмма анализа портретов колебаний. По расположениям максимумов искажений определялись местоположения зазоров. Для зазоров в устройствах передачи усилий или перемещений приведена формула, позволяющая вычислить их величины. Изложены практические рекомендации по использованию этой формулы. Результаты и обсуждения. Возможность обнаружения зазоров по искажениям портретов колебаний продемонстрирована на примере диагностирования макетной проводки управления и самолетов в процессе модальных испытаний, космических аппаратов открытого исполнения в технологических вибрационных испытаниях. Показано, что разработанная методика позволяет поэтапно выявить все зазоры в объекте испытаний, которые приводят к искажениям портретов колебаний.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2021;23(2):40-53
40-53
Стационарность профиля инструмента при моделировании поверхностного пластического деформирования обкатыванием как процесса плоской дробной деформации
Аннотация
Введение. Поверхностное пластическое деформирование, в том числе обкатывание, является эффективным способом повышения эксплуатационных свойств деталей машин. Одним из перспективных подходов к проектированию упрочняющих технологических процессов является механика технологического наследования. Для расчета наследственных параметров, характеризующих накопленную деформацию и поврежденность металла, возможно моделирование обкатывания как процесса плоской дробной деформации, что позволяет существенно сократить сроки моделирования процесса. Однако при вращении плоскости, в которой рассматривается напряженно-деформированное состояние, происходит изменение профиля ролика. Целью работы является оценка величины изменения профиля ролика в плоскости деформации в процессе деформирования как важного фактора, обеспечивающего точность получаемого решения. Методы исследования. Профиль ролика в плоскости деформации определяется линией пересечения поверхности ролика и этой плоскости. В работе приведен порядок расчета координат точек линий пересечения, представляющих собой кривые четвертого порядка, в зависимости от геометрических размеров ролика и детали, а также угла наклона плоскости деформации. Результаты и обсуждение. Для оценки величины изменения профиля ролика были определены координаты точек линий пересечения поверхности ролика и плоскости деформации для режимов обкатывания, соответствующим достаточно развитой пластической деформации, проведена аппроксимация полученных линий в системе координат, связанной с плоскостью деформации, и оценено относительное изменение координат линий пересечения при повороте плоскости деформации. В результате проведенных аналитических исследований установлено, что даже при развитой пластической деформации относительное изменение координат точек линий пересечения не превышает 0,1 %. Это свидетельствует о возможности использования при моделировании обкатывания с использованием модели плоской дробной деформации стационарного профиля ролика.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2021;23(2):54-65
54-65
Повышение эффективности концевого алмазного абразивного инструмента на металлической связке за счет совершенствования технологии изготовления
Аннотация
Введение. В различных отраслях промышленности все более широкое использование находят труднообрабатываемые материалы с повышенными физико-механическими свойствами. Они применяются в машиностроении для изготовления деталей и узлов машин и механизмов, в производстве и переработке пищевых продуктов, где требуются повышенные эксплуатационные требования. В современном производстве наряду с традиционными методами интенсификации технологических операций применяют комбинированные и гибридные технологии обработки. Для финишной обработки изделий применяется абразивное шлифование алмазным инструментом. Одной из проблем, сдерживающих широкое практическое применение такого метода в промышленности, является высокая себестоимость, вызванная стоимостью используемых при изготовлении материалов и трудоемкость процесса формообразования инструмента. Это ведет к необходимости разработки новой технологии получения алмазного инструмента. Цель работы – повышение эффективности концевого алмазного абразивного инструмента на металлической связке за счет использования в качестве материала корпуса углеродистых сталей, увеличение прочности соединения между корпусом и алмазоносной частью, а также выбор эффективной технологии изготовления инструмента. Методика исследований. Для выполнения поставленной задачи нами разработана и испытана технология изготовления концевого алмазного абразивного инструмента. Применение в качестве материала хвостовика среднеуглеродистых закаленных качественных сталей с твердостью 45...60 HRC позволило использовать технологию конденсаторной сварки для соединения алмазоносной части с хвостовиком. Прочность соединения корпуса с рабочей алмазоносной частью образцов шлифовальных головок определяли методом испытания на растяжение на разрывной машине 1958У10 с максимальной нагрузкой 100 кН. Качество соединения оценивали визуально по наличию несплошностей в соединении, а также исследованием микроструктуры и измерением микротвердости шва и зон термического влияния. Измерение микротвёрдости сварного соединения проводили на полуавтоматическом микротвердомере HMV-G21ST (Шимадзу, Япония) при нагрузке 50 г. Результаты и обсуждение. Таким образом, результаты сравнительных исследований позволяют утверждать, что прочность соединения между хвостовиком и рабочей алмазоносной частью по предлагаемой технологии превосходят аналогичные характеристики прочности соединения между хвостовиком и алмазоносным слоем шлифовальных головок, получаемых способом, выбранным прототипом. Выводы. Предлагаемая технология изготовления алмазных головок увеличивает прочность соединения между корпусом и алмазоносной рабочей частью, снижает затраты на изготовление шлифовальных головок за счет применения закаленных среднеуглеродистых сталей в качестве материала корпуса инструмента взамен быстрорежущих марок сталей, упрощается технология и появляется возможность автоматизации изготовления инструмента.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2021;23(2):66-80
66-80
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Влияние насыщения водородом на структуру и механические свойства аустенитной стали 01Х17Н13М3, формируемые в процессе прокатки при разных температурах
Аннотация
Введение. Развитие водородной энергетики предполагает уменьшение зависимости различных сфер человеческой деятельности от ископаемых энергоносителей и значительное сокращение выбросов углекислого газа в атмосферу. Исходя из этого, возрастают требования к качеству конструкционных материалов, которые имеют перспективу использования для хранения и транспортировки водорода, а также для создания инфраструктурных объектов водородной энергетики. Поэтому большое значение приобретают научные исследования, направленные на выявление влияния водорода на закономерности изменения микроструктуры и механического поведения конструкционных материалов при различных схемах нагружения. Цель работы – установить влияние химико-деформационной обработки, включающей прокатку, комбинированную с наводороживанием, на микроструктуру, фазовый состав и механические свойства образцов аустенитной нержавеющей стали 01Х17Н13М3. Методами исследования являются просвечивающая электронная микроскопия и дифракция обратнорассеянных электронов, рентгеноструктурный, рентгенофазовый и магнитофазовый анализ, микроиндентирование и одноосное статическое растяжение. Результаты и обсуждение. Экспериментально показано, что морфология дефектной структуры и фазовый состав стали 01Х17Н13М3, формируемые при прокатке со степенями осадки 25 и 50 %, существенным образом зависят от температуры деформации (при комнатной температуре или с охлаждением образцов до температуры кипения жидкого азота), а также насыщения образцов водородом (в течение 5 часов при плотности тока 200 мА/см2). Основными механизмами деформации стали при прокатке являются скольжение, двойникование и микролокализация пластического течения, которые обеспечивают формирование субмикрокристаллических структурных состояний в образцах. Кроме этого, в структуре прокатанных образцов происходит образование деформационных ε и α' мартенситных фаз. Независимо от режима химико-деформационной обработки, в стали формируется зеренно-субзеренная структура с высокой плотностью дефектов кристаллического строения, но морфология такой микроструктуры определяется режимом обработки. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что предварительное насыщение образцов водородом и понижение температуры деформации способствуют более активному развитию механического двойникования и реализации деформационных фазовых превращений при прокатке. Несмотря на обнаруженные эффекты по влиянию насыщения водородом на механизмы деформации и морфологию формируемой при прокатке дефектной микроструктуры, предварительное наводороживание слабо влияет на механические свойства стали при фиксированных степени и температуре деформации. Эти данные свидетельствуют о том, что независимо от морфологии дефектной зеренно-субзеренной структуры, измельчение зерна, накопление деформационных дефектов и рост внутренних напряжений приводят к увеличению прочностных характеристик стали.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2021;23(2):81-97
81-97
Особенности процессов структурообразования в соединениях сплава Д16, полученных сваркой трением с перемешиванием с инструментом типа «bobbin tool»
Аннотация
Введение. Одним из типов сварки трением с перемешиванием является сварка инструментом типа «bobbin tool» (BFSW), позволяющая получать сварные соединения различной конфигурации без использования подложки и осевого усилия внедрения, а также снизить тепловые потери и градиент температурного воздействия по толщине свариваемого материала. Это делает процесс BFSW эффективным для сварки алюминиевых сплавов, свойства которых определяются структурно-фазовым состоянием. По данным исследований, температура и скорость деформирования свариваемого материала имеют некоторые интервалы значений, в которых формируются прочные соединения без дефектов. При этом вопросам механизмов формирования структуры в процессе BFSW уделено гораздо меньшее внимание. Поэтому для решения задачи получения бездефектных и прочных сварных соединений сваркой типа BFSW требуется расширенное понимание основных механизмов структурообразования в процессе сварки. Целью работы является исследование механизмов формирования структуры в сварном соединении сплава Д16 при изменении скорости сварки в процессе сварки трением с перемешиванием инструментом типа «bobbin tool». Результаты и обсуждение. Условия формирования сварного соединения в процессе BFSW определяются тепловложением в свариваемый материал, его фрагментацией и пластическим течением по контуру инструмента, которые зависят от соотношения скоростей вращения и перемещения сварочного инструмента. Механизмы формирования соединения основаны на сочетании равно значимых процессов адгезионного взаимодействия в системе «инструмент – материал» и экструзивного выдавливания металла в зону за сварочным инструментом. В сочетании с условиями теплоотвода и конфигурацией системы «инструмент – материал», это приводит к экструзии материала из сварного соединения и его разуплотнению. Результатом является формирование протяженных дефектов. Повышение скорости перемещения инструмента способствует снижению удельного тепловложения, но при сварке протяженных соединений из-за характерных условий теплоотвода количество тепла, выделяющегося в соединении, возрастает. В результате происходит изменение условий протекания процессов адгезионного взаимодействия и экструзивного выдавливания, что приводит либо к росту уже имеющихся, либо к формированию новых дефектов. C учетом комплексности механизмов формирования структуры сварных соединений способом BFSW, получение бездефектных сварных соединений подразумевает обязательное использование различных методов неразрушающего контроля в сочетании с адаптивным регулированием технологических параметров непосредственно в ходе сварочного процесса.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2021;23(2):98-115
98-115
Обзор исследований сплавов, разработанных на основе энтропийного подхода
Аннотация
Статья содержит обзор исследований, связанных с разработкой, анализом структуры и свойств высокоэнтропийных сплавов (ВЭС). Разработка сплавов на основе энтропийного подхода. Ожидания и современные представления. Отражены заложенные первоначально принципы создания многокомпонентных сплавов, характеризующихся стабильностью структуры и механических свойств. Отмечено, что представления о роли высокой энтропии смешения в формировании неупорядоченных твердых растворов замещения и подавлении охрупчивающих интерметаллидных фаз со временем были существенно изменены. Полагают, что получение однофазной структуры твердого раствора в настоящее время не является обязательным требованием к разрабатываемым ВЭС. Состав высокоэнтропийных сплавов. Отражены примеры разработанных многокомпонентных сплавов различного состава. Отмечается, что одними из наиболее изученных в настоящее время являются сплавы на основе 3-d переходных элементов. На примере сплавов этой группы показана возможность обеспечения как высоких, так и низких значений показателей прочности и пластичности. Методы получения высокоэнтропийных сплавов. Перечислены методы получения высокоэнтропийных сплавов. Отмечается, что чаще всего используют методы, основанные на плавлении исходных материалов и последующей их кристаллизации. Приведены примеры работ, в которых использованы технические решения, основанные на методах порошковой металлургии, магнетронного распыления мишеней, самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, спиннингования, диффузионной сварки. Структура высокоэнтропийных сплавов. Приведены сведения о высокоэнтропийных сплавах, характеризующихся многофазным строением, присутствием мелкодисперсных, в том числе наноразмерных выделений. Отмечены работы, в которых высокоэнтропийные сплавы были получены в виде металлических стекол, металлоподобных соединений, карбидов, оксидов, боридов. Представлены результаты анализа ряда факторов, которые по мнению исследователей способны влиять на структурное состояние создаваемых многокомпонентных сплавов. Отмечается неоднозначность суждений, сформулированных различными группами специалистов. Свойства высокоэнтропийных сплавов. Пластическая деформация ВЭС. Приведены работы по изменению структуры и свойств ВЭС методами термопластического воздействия. Методы изучения высокоэнтропийных сплавов. Представлен перечень методов исследования, наиболее часто используемых при работе с ВЭС. Для структурных исследований используют методы просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, рентгеноспектрального анализа, световой микроскопии. Дан краткий анализ подходов к оценке свойств сплавов. Назначение высокоэнтропийных сплавов. Описаны перспективные области применения ВЭС. Отмечается возможность использования сплавов в ракетно-космической отрасли, самолето- и машиностроении, атомной энергетике, устройствах СВЧ, акустоэлектронике. Русскоязычные публикации в области ВЭС. Даны ссылки на публикации отечественных специалистов. Отмечены диссертационные работы, выполненные в российских научных и образовательных организациях.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2021;23(2):116-146
116-146
Оценка структурно-фазового и напряженного состояния диффузионных боридных слоев, полученных химико-термической обработкой на поверхности штамповой стали 3Х2В8Ф
Аннотация
Введение. Контроль и управление технологическими остаточными напряжениями (ТОН) является одной из важнейших задач технологии машиностроения. Борирование способно обеспечить высокие физико-механические свойства деталей машин и инструментов с минимальным воздействием на напряженное состояние в поверхностных слоях. Цель настоящей работы является определение температурных режимов диффузионного борирования, способствующих благоприятному распределению ТОН в поверхностном слое штамповой стали 3Х2В8Ф. В работе рассмотрены результаты исследований по определению ТОН экспериментальным методом на установке УДИОН-2 в диффузионных слоях на поверхности исследуемой стали. Борирование проводили в контейнерах с порошковой смесью из карбида бора и фторида натрия в качестве активатора при температуре 950 °С и 1050 °С в течение 2 ч. Полученные образцы сталей с диффузионным слоем исследовали на оптическом микроскопе и растровом электронном микроскопе (РЭМ); определяли микротвердость, элементный и фазовый состав слоев. Установлено, что при увеличении температуры борирования с 950 °С до 1050 °С толщина диффузионного слоя возрастает с 20 до 105 мкм. При этом, низкотемпературный режим химико-термической обработки (ХТО) привел к формированию борида железа Fe2B с максимальным содержанием бора 6 % и микротвердостью до 1250 HV, а высокотемпературный - борида железа FeB с максимальным содержанием бора 11 % и микротвердостью до 1880 HV. Результаты и обсуждения. Установлено, что борирование при 950 °С приводит к более благоприятному распределению ТОН сжатия в диффузионном слое. Однако, значительные колебания ТОН в диффузионном слое и в прилегающей (переходной) зоне могут негативно сказаться на эксплуатационных свойствах после ХТО при данной температуре. Увеличение температуры ХТО приводит к возникновению растягивающих ТОН в верхней зоне слоя на глубине до 50 мкм от поверхности. Несмотря на наличие растягивающих напряжений на поверхности диффузионного слоя после высокотемпературной ХТО распределение ТОН является более плавным, по сравнению с низкотемпературным борированием.
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2021;23(2):147-162
147-162