Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение

Рассмотрен процесс моделирования в программном пакете Ansys LS-DYNA напряженно-деформированного состояния рабочей зоны деформации на разделительных операциях листовой штамповки с использованием инструмента с износостойким ионно-плазменным покрытием. Объектом исследования выступает рабочий инструмент (пуансоны и матрицы) штамповой оснастки для процессов листовой штамповки с износостойким покрытием на основе нитрида титана, нанесенного методами ионно-плазменного напыления и катодно-ионной очистки. Целью исследования являлось определение влияния износостойкого покрытия, нанесенного на рабочую кромку штампового инструмента, на напряженно-деформированное состояние в зоне деформации. В рамках исследования были предложены физические и математические модели процессов вырубки с использованием программных пакетов и произведены оценка и анализ напряженного состояния материалов инструмента в рабочей зоне деформации. В процессе моделирования был использован метод конечно-элементного моделирования динамических взаимодействий твердых тел в программном пакете Ansys LS-DYNA. Были получены следующие результаты: построены математические модели процессов вырубки листового материала (модели пуансона, матрицы и заготовки), произведен переход от 3D-моделей к упрощенным соосным симметричным моделям, позволяющим оценить напряженно-деформированное состояние в рабочей зоне по отдельным сечениям; построены модели процессов вырубки с инструментом разного типа (с износостойким покрытием и без покрытия), получены визуальные интерпретации распределения полей напряжений в материале инструмента, построены графики напряжений и потенциальной энергии в элементах поверхностного слоя в критических точках контакта на характерных этапах процесса вырубки листового материала.

Анализируются механизмы интенсификации отвода тепла от кристаллизуемых гранул металлических материалов при производстве гранулята в промышленных масштабах. Известно, что технологии с применением высоких скоростей кристаллизации обеспечивают получение значительного упрочняющего эффекта гранулированного материала от легирования алюминиевых сплавов тугоплавкими компонентами, нерастворимыми в алюминии или имеющими очень малую растворимость (цирконий, хром, железо, марганец). Это позволяет создавать новые гранулированные алюминиевые сплавы повышенной прочности на основе традиционных систем Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg-Cu, Al-Mg с легированием тугоплавкими элементами в гораздо большем количестве, чем это применяется для существующих сплавов. Одним из основных факторов, влияющих на формирование пересыщенных твердых растворов и субмикроскопической структуры материала, является скорость кристаллизации, которая, в свою очередь, определяется скоростью отвода тепла от формируемой гранулы. Установлено, что вокруг гранулы, попадающей в охлаждающую среду, образуется «паровая рубашка», а именно тонкая прослойка пара, возникающего за счет перехода охлаждающей жидкости (как правило, технической воды), соприкасающейся с раскаленным или расплавленным металлом, в парообразное состояние. Формируемая «паровая рубашка» является барьером по отношению к интенсивному отводу тепла от охлаждаемой гранулы. Предлагается технология интенсификации отвода тепла кристаллизуемых гранул алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mg с целью повышения скорости кристаллизации. Основой метода является технология удаления «паровой рубашки», неизбежно возникающей вокруг кристаллизуемой капли расплава при попадании последней в водную охлаждающую среду. Сбив паровой оболочки возможен при увеличении скорости движения кристаллизуемого объекта в водной охлаждающей среде. Соответственно, при отсутствии паровой оболочки вокруг кристаллизуемой капли значительно увеличивается коэффициент теплопроводности охлаждающей среды и повышается интенсивность отвода тепла. Известно, что коэффициент теплопроводности воды в зависимости от условий (температуры и давления) в 10-30 раз больше, чем коэффициент теплопроводности водяного пара. Соответственно, и скорость охлаждения расплава увеличивается пропорционально росту коэффициента теплопроводности. Также установлено, что скорость кристаллизации зависит от других факторов, влияющих на интенсивность теплоотвода, и, соответственно, зависит от градиента температур между температурой кристаллизуемого расплава и температурой охлаждающей жидкости. На основе специально разработанной промышленной установки для получения гранул из алюминиевых сплавов центрифугованием при сверхвысоких скоростях вращения тигля-разбрызгивателя удалось создать требуемую первоначальную скорость движения капли расплава в охлаждающей среде, гарантированно обеспечивающую удаление паровой оболочки. Экспериментальные исследования проводились на гранулированных материалах из сплавов систем Д1 и Д16. Результаты проведенных экспериментов подтвердили теоретические предположения. Полученные прессованные полуфабрикаты из гранул алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mg, закристаллизованных со сверхвысокими скоростями охлаждения, характеризуются значительным повышением прочностных характеристик гранулированных материалов.

Рассматривается обеспечение базового уровня качества технического изделия с помощью разработки и внедрения экспертной системы, обеспечивающей отсутствие отказов и дефектов на стадии эксплуатации данного изделия. Расчет безотказности выполняют с целью обеспечения соответствия предъявляемых требований к показателям безотказности деталей в процессе работы изделия. Если действительные значения безотказности не соответствуют проектным показателям, то производится корректировка конструкции деталей и сборочных единиц с целью достижения проектной (требуемой) безотказности изделия. Сначала разрабатывают функциональную модель изделия, а затем на основании этой схемы составляют схему расчета надежности изделия. Изучение вопросов надежности технических изделий показало, что недостаточная надежность изделия связана с целым рядом проблем. Приведен перечень мероприятий, с помощью которых возможно повысить технический уровень и качество технического изделия. Описана необходимость разработки экспертной системы для обеспечения качества технических изделий на высоком уровне. Описанная ЭС должна давать оценку ожидаемого качества деталей или изделий до передачи конструкторской документации в производство. Внедрение такой экспертной системы даст возможность на предпроизводственных стадиях (разработка КД и ТД) принимать меры для устранения возможных дефектов деталей, сборочных единиц и изделий до начала эксплуатации изделия. В ходе работы были сделаны следующие выводы: показатель надежности технического изделия, рассчитанный методом всеобщего управления качеством, выше, чем при помощи метода классической теории надежности; разработан алгоритм, при котором после проведения всех вышеперечисленных мероприятий считается, что обеспечено производство технических изделий, соответствующих высокому техническому уровню качества с 95%-ной вероятностью.

Легкие металлы, особенно алюминиевые и магниевые сплавы, находят все более широкое применение в электронике, машиностроении, аэрокосмической промышленности, благодаря органичному соотношению прочности, массы, низкой плотности. Эти химически активные металлы имеют и недостаток, выраженный в низкой коррозийной стойкости, поэтому необходимо использовать поверхностные защитные слои, имеющие стойкость к коррозии и износу. Защитные слои возможно получить как за счет анодирования, так и за счет применения гальвано-плазменной модификации. Гальвано-плазменная модификация позволяет наносить на поверхность алюминия и его сплавов оксидный слой, что способствует созданию более твердых, плотных, коррозионно-стойких покрытий. Как и во всех технологиях нанесения покрытия, успешная разработка гальвано-плазменной модификации требует высокой точности, стабильности к предварительной обработке подложки, а также тщательного контроля состояния электролита и технологических параметров процесса. Рассматриваются принципы и процесс нанесения покрытия за счет гальвано-плазменной модификации, включая основы осаждения оксидов, применяемую технологию и типичные характеристики покрытий. Промышленное применение рассматривается одновременно с требованиями к покрытию. Формирование оксидного покрытия методом гальвано-плазменной модификации - это особый и уже достаточно апробированный процесс. Соответствующий контроль состава электролита и условий процесса позволяет применять новейшие виды покрытий, имеющих технологически привлекательные физические и химические свойства. Развитие технологии гальвано-плазменной модификации в течение последнего десятилетия позволяет получить покрытия с контролируемым внешним видом, твердостью, коррозионной стойкостью и трибологическими свойствами для различных отраслей промышленности. Частично рассмотрены покрытия на поверхности алюминиевого сплава AK12MMгН, полученного методом гальвано-плазменной модификации.

Активно развивающееся аддитивное производство позволяет использовать для наплавки металлических деталей из порошковых материалов такие лучевые источники энергии, как электронный пучок и лазерный луч. Качество получаемой конструкции зависит от многих факторов, к которым относятся теплофизические свойства порошка и подложки, а также физические процессы взаимодействия энергетических лучей и материалов. Описываемые в литературе методы оценки параметров аддитивных технологий часто затрудняют проверку и прогнозирование результатов вычислений. Предлагаемая в статье методика применения безразмерных параметров в простой аналитической модели нагрева образцов, покрытых слоем порошка, позволяет уменьшить количество переменных. Тепловая модель процесса обеспечивает связь между безразмерными координатами и значениями безразмерной температуры. Также на основе простой аналитической модели нагрева порошковых слоев движущимся линейным источником тепла была построена нормализованная диаграмма для обработки порошкового материала при аддитивных технологиях с использованием концентрированных пучков энергии. Рекомендуемым при селективном плавлении является интервал диаграммы для точек, подверженных обработке, ниже линии максимальной безразмерной температуры, или ниже линии максимальной тепловой эффективности. Диапазон параметров обработки, а также возможность прогнозирования оптимальных параметров энергии электронного пучка или лазерного луча при селективном плавлении могут быть определены в зависимости от безразмерной скорости пучка. Диаграмма представляет полезную справочную информацию и методику, позволяющую подбирать подходящие параметры обработки на ранних этапах разработки не только аддитивного спекания порошковых материалов, но и для оценки глубины нагрева определенного материала. Это может быть использовано при термообработке с использованием лучевых источников энергии.