Том 21, № 3 (2019)

Введение. Комплексная автоматизация производственных процессов – главное достижение научно-технического прогресса. Создание и использование гибких производственных модулей и комплексов производства для материалообработки резанием приводит к приобретению и массовому использованию станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Одновременно с этим, наблюдается тенденция устаревания станочного фонда предприятий и снижения первоначального качества данного оборудования, в связи с чем актуальной является задача обеспечения и повышения качества выпускаемых изделий с одновременным снижением их себестоимости. Цель работы – повышение результативности технологических процессов при токарной обработке на станках с числовым программным управлением за счет математического и конечно-элементного моделирования. В работе исследовано напряженно-деформированное состояние детали в программном продукте SolidWorks Simulation от воздействия сил резания, и на основе математического моделирования произведен учет деформационных отклонений, получена трансформируемая CAD-модель заготовки, а также по данной модели разработана управляющая программа для станка с ЧПУ. При выполнении работы использованы следующие методы исследования: методы вычислительной математики, математического моделирования, матричного анализа, статистической обработки результатов экспериментов. Экспериментальные исследования проводились с использованием CAD/CAM системы SolidWorks Simulation, токарного центра SMTCL CAK50135, координатно-измерительной машины. В статье представлен способ управления геометрической точностью деталей, обрабатываемых на станках с ЧПУ, основанный на математическом и конечно-элементном моделировании. Контроль геометрии деталей производится по cad-модели, которая характеризует эталонную деталь. Результаты и обсуждения. При обработке двух партий заготовок, первая из которых обрабатывалась по традиционному способу, вторая – по предлагаемому, и определении надежности технологической операции было замечено, что поле рассеивания действительных значений и среднее квадратическое отклонение уменьшились по предлагаемому способу, что говорит о подтверждении его результативности, так как существенно снизился процент вероятностного брака. Причем разработанная модель управления геометрической точностью деталей, основанная на математическом и конечно-элементном моделировании, способствует сокращению основного технологического времени обработки путем исключения дополнительных уточняющих проходов режущего инструмента.

Введение. Ракетно-космическая отрасль является одной из самых серьезных отраслей промышленности. Она непрерывно ставит все более сложные задачи, решение которых возможно только с появлением новых и уникальных технологий. Сегодня, как и прежде, перед ракетно-космической отраслью стоят сверхамбициозные задачи как по совершенствованию самих космических аппаратов, так и по удешевлению их производства. Стоимость одного запуска космического корабля исчисляется миллиардами рублей, что резко тормозит развитие отрасли и поэтому требует максимального внимания. Высокая стоимость обработки деталей ракетно-космической отрасли обусловлена множеством сложностей, заключающихся в усложнении конструкции деталей, в использовании суперсплавов, способных работать в экстремальных условиях высоких температур и нагрузок, а поэтому и трудно поддающихся обработке, а также и в возросших требованиях к качеству изготовления. В связи с этим, сегодня появляются, а также и наиболее остро требуются новые подходы к обработке, которые, в свою очередь, находят отражение в высокой трудоемкости технологического проектирования и огромных сроках производства. Цель работы: разработка способа максимального снижения трудоемкости и сроков проектирования эффективной обработки сложных деталей ракетно-космической отрасли. Методы исследования. Большие резервы по совершенствованию технологии обработки деталей, а также сокращению сроков производства лежат в области цифровых технологий. Поэтому основным методом исследования является анализ существующих решений в области новых стратегий обработки сложных деталей и автоматизации их проектирования, нахождение узких мест в современных CAM-системах (Computer-Aided Manufacturing), а также разбор успешных кейсов по автоматизации задач проектирования эффективной обработки особенно деталей из материалов, трудно поддающихся обработке. Результаты и обсуждение. Анализ вопроса показал, что при проектировании обработки в CAM-системе отсутствуют тесные связи управляющей программы с технологией, станком, инструментом и деталью. Эти связи по-прежнему реализуются человеком и напрямую зависят от его опыта, что делает проектирование некачественным, неэффективным и все больше нерентабельным. Автоматизация подобных связей повысит качество проектирования и самой обработки, высвободит человеческие ресурсы из рутинной работы, а также снизит сроки и трудоемкость проектирования, что позитивно скажется на результатах и стоимости производства ракетно-космической и другой техники. Результатом подобной автоматизации является модуль интеллектуальной обработки для CAM-системы. Часть задач, решаемых модулем и реализованных в виде самостоятельных библиотек, уже сегодня успешно зарекомендовали себя и используются на различных предприятиях.

Введение. Вибрации всегда сопровождают процесс резания и влияют на параметры качества изготовления деталей и состояние процесса резания, оцениваемого, например, интенсивностью изнашивания инструмента. В работе рассматриваются вибрации, генерируемые самим станком (биения шпиндельной группы, кинематические возмущения, вариации припуска и пр.), а также специально вводимые в зону резания управляемые колебания для улучшения качества изготовления деталей. За счет вибраций изменяются траектории формообразующих движений, зависящих от траекторий исполнительных элементов станка, дополнительных вибраций и упругих деформационных смещений инструмента относительно заготовки. Траектории формообразующих движений являются главным фактором формирования геометрической топологии поверхности детали в единстве геометрической точности, волнистости и шероховатости поверхности. Однако до настоящего времени нет единого мнения о влиянии вибраций на параметры качества детали. Методы исследования. В статье на основе математического моделирования динамической системы резания рассмотрено влияние вибраций на траектории формообразующих движений вершины инструмента относительно заготовки как основного фактора, определяющего геометрическую топологию детали. В отличие от известных работ, во-первых, параметры динамической связи предоставлены в координатах состояния. Во-вторых, учтено влияние вибрационных возмущений, существующих в станке, а также специально вводимых колебаний на свойства динамической системы (например, устойчивость) и результат (прежде всего геометрическую топологию). Результаты и обсуждение. Приведены результаты моделирования, раскрывающие эффекты нелинейной динамики, которые могут вызывать как улучшение, так и ухудшение параметров геометрической топологии. Эти эффекты проявляются в образовании динамической постоянной составляющей деформационных смещений, в формировании вдоль траектории различных притягивающих множеств деформационных смещений и их бифуркаций. Намечены пути улучшения качества формируемой резанием поверхности за счет согласования вводимых и (или) существующих естественным образом внешних возмущений со свойствами динамической системы и управляемыми от ЧПУ траекториями исполнительных элементов станка. Результаты исследований направлены на повышение эффективности процесса по параметрам качества изготовления деталей. Их можно использовать и для динамического мониторинга состояния процесса во время обработки, например износа инструмента.

Введение. Основным параметром, определяющим эффективность и качество процесса ротационной вытяжки с утонением стенки, является значение и характер распределения сопротивления деформации материала по толщине стенки заготовки. В технической литературе, посвященной изучению данного процесса, содержится недостаточно информации, позволяющей корректно назначать технологические режимы и условия обработки. Статья посвящена экспериментальному исследованию изменения сопротивления деформации низкоуглеродистой стали в процессе ротационной вытяжки с утонением стенки в зависимости от степени деформации и угла конусности деформирующего ролика. Целью работы является определение неравномерности распределения сопротивления деформации низкоуглеродистой стали по толщине стенки заготовки после ротационной вытяжки с утонением в зависимости от степени деформации и угла конусности деформирующего ролика. Методы исследования. Процесс ротационной вытяжки заготовок, имеющих исходную толщину стенки 6,5 мм и наружный диаметр 203 мм, осуществлялся  на трехроликовом горизонтально-раскатном станке  СРГ-0,6-1500 по прямому способу. Пластическое формоизменение материала заготовок выполнялось при различных степенях деформации на оправке диаметром 190 мм деформирующими роликами диаметром 260 мм с углом конусности равным 20 и 30°. Сопротивления деформации материала по толщине стенки определялось на продольных образцах, вырезанных из обработанных заготовок, методом внедрения индентора с измерением твердости наконечником Виккерса. Неравномерность распределения сопротивления деформации оценивалась коэффициентом, определяемым как отношение сопротивления деформации наружной поверхности к сопротивлению деформации внутренних объемов стенки заготовки. Результаты и обсуждения. Наибольшие значения сопротивления деформации были получены на наружной поверхности заготовок, обработанных роликом, а наименьшие значения зафиксированы во внутреннем объеме стенки заготовок. Оценка неравномерности распределения сопротивления деформации по толщине стенки заготовки выполнена с помощью коэффициента неравномерности, равного отношению сопротивлений деформации наружного слоя и внутренних объемов стенки заготовки. Выявлено, что наиболее опасными зонами, подверженными разрушению в процессе ротационной вытяжки, являются внутренние объемы материала, прилегающие к наружному поверхностному слою заготовки. Установлено, что коэффициент неравномерности распределения напряжений при обработке роликом с углом конусности α = 30° примерно на 10 % больше, чем с углом конусности α = 20°. С увеличением степени деформации коэффициент неравномерности распределения напряжений возрастает, но очень незначительно. Полученные закономерности объясняются, в частности, наплывом, который образуется перед роликом. По полученным результатам даны общие рекомендации по назначению степени деформации и угла конусности ролика при выполнении ротационной вытяжки. Кроме того, получены эмпирические зависимости деформационного упрочнения материала для различных объемов заготовки. Предлагаемая методика определения неравномерности распределения напряжений может быть использована при разработке процессов обработки давлением и в проектировочных расчетах элементов конструкций.

Введение. Лазерная сварка является одним из наиболее продуктивных методов получения сварных соединений. Высокая скорость сварки, способность сваривания без применения присадочной проволоки делают лазерную сварку одним из ее перспективных методов. Преимуществом над традиционной дуговой сваркой выступает способность сваривания деталей за один проход без разделки кромок. Несмотря на постоянно расширяющиеся области применения лазерной сварки, к некоторым материалам проблематично применить данный вид сварки. К таким материалам относятся алюминиево-магниевые сплавы. Из-за разности теплофизических свойств алюминиевой матрицы и магния происходит выгорание основного легирующего элемента. Еще одной проблемой при лазерной сварке Al–Mg-сплавов является высокая пористость. В итоге лазерные сварные соединения сплавов системы Al–Mg не могут применяться в производстве из-за низкой прочности. Целью работы является изучение влияния ультразвукового воздействия на формирование структуры сварного шва сплава АМг5, полученного методом лазерной сварки. Результаты и обсуждения. Получены образцы обычной лазерной сварки и лазерной сварки ассистированной ультразвуковым воздействием. Показано, что под действием ультразвукового воздействия в процессе лазерной сварки изменяется форма шва. Показано, что под ультразвуковым воздействием уменьшается количество газовых пор. Произведена количественная оценка энерговложений на объемную долю переплавленного металла и величину проникновения лазерного излучения под действием ультразвука. Показано также уменьшение объемной доли вторичных частиц в металле шва с увеличением мощности ультразвукового воздействия. Исследования микротвердости сварных соединений показали небольшое увеличение значений микротвердости с ультразвуковым воздействием в сравнении с обычной лазерной сваркой. В результате проведенного рентгеноструктурного анализа выяснено, что образцы лазерной сварки с ультразвуковым воздействием 500 Вт имеют наибольший параметр решетки в сравнении c обычной лазерной сваркой и лазерной сваркой с ультразвуковым воздействием мощностью 1000 Вт. Кроме того, сварные швы с мощностью ультразвукового воздействия 500 Вт имеют наибольшие искажения кристаллической решетки среди исследуемых.

Введение. Электролитическое железнение широко применяется для повышения износостойкости и твердости поверхности, а также для восстановления изношенных деталей машин, однако, свойства гальванических покрытий в ходе эксплуатации могут изменяться, и даже длительное старение не приводит к стабилизации свойств. Сокращение времени стабилизации достигается термической обработкой, расчет режимов которой для ультрадисперсных покрытий целесообразно проводить, основываясь на законах диффузии точечных дефектов. Цель работы. Рассчитать эффективный коэффициент диффузии, учитывающий зернограничную диффузию в ультрадисперсном электролитическом железе и на основании его найти режимы термической обработки, необходимые для стабилизации свойств покрытий. Методы исследования. Применялись: растровая и просвечивающая электронная микроскопия – для изучения зеренной структуры и межзеренных границ; термодинамические расчеты – для нахождения коэффициентов диффузии; программа Comsol Multiphysics – для определения температуры и времени, необходимых для стабилизации свойств железа. Результаты и обсуждения. Получено выражение для определения коэффициента эффективной диффузии для электролитического ультрадисперсного железа, учитывающее влияние межзеренных границ. Термодинамические расчеты показали, что, по сравнению с объемным эффективный коэффициент диффузии может быть на два порядка выше и во многом определяется размером зерна. Методом микроструктурного анализа установлены режимы получения ультрадисперсного покрытия с большой долей межзеренных границ и экспериментально подтверждено, что вклад зернограничной диффузии имеет смысл учитывать при размерах зерен менее 100 нм, которые соответствуют жестким режимам осаждения покрытий. Компьютерное моделирование показало, что температура отжига ультрадисперсных железных покрытий может быть снижена на 50 °С по сравнению с ранее известными данными.

Введение. Изделия, содержащие твердые сплавы и работающие при высоких температурах, испытывают большие температурные деформации, точность расчета которых зависит от точности температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). В литературных источниках данные по значениям ТКЛР для твердых сплавов значительно разнятся: не указаны тип ТКЛР, условия проведения экспериментов и часто игнорируется факт зависимости ТКЛР от температуры. Предметом исследования является ТКЛР вольфрамокобальтовых твердых сплавов с различной концентрацией кобальта по массе в диапазоне 3..20 %. Цель работы – получение зависимостей деформации твердых сплавов с разной концентрацией кобальта от температуры и уточнение значений ТКЛР с учетом учитывая его изменения от температуры. Методы. Исследования проводились на дилатометре Netzsch 402 PC в воздушной среде. Для исключения искажений показаний на начальном участке нагрева, обусловленных конструктивными особенностями дилатометров с толкателями, применен специальный метод обработки результатов. Он включает в себя расчет по полученным на дилатометре абсолютным удлинениям образца дифференциальных (истинных) ТКЛР, их аппроксимацию линейной функцией с последующим ее интегрированием по температуре для получения зависимости относительной деформации от температуры. Результаты и обсуждение. Получены экспериментальные значения температурных деформаций твердых сплавов в диапазоне от 20 до 650 °С и рассчитаны значения дифференциальных ТКЛР. Выявлена линейная зависимость дифференциального ТКЛР от температуры, приведены коэффициенты аппроксимирующих функций для разных концентраций кобальта. Выведены зависимости относительных температурных деформаций твердых сплавов от температуры для разных концентраций кобальта и приведены коэффициенты аппроксимирующих полиномов. Установлено, что с увеличением концентрации кобальта линейно увеличиваются значения ТКЛР и скорость его изменения. Приведена обобщенная формула, позволяющая рассчитать относительную температурную деформацию и ТКЛР по известной температуре и концентрации кобальта. Полученные результаты могут быть использованы в задачах расчета тепловых деформаций и напряжений в изделиях, содержащих вольфрамокобальтовые твердые сплавы.