Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение

Разработка и применение ресурсосберегающих технологий, направленных на получение металлоизделий и конструкций с высокими прочностными и эксплуатационными характеристиками, позволяет предприятиям получить ряд конкурентных преимуществ. Достижению таких преимуществ в немалой степени способствует возможность расширения номенклатуры применяемых металлов и сплавов, а также возврат материалов в технологических цикл. На реализацию этих задач направлено использование разрабатываемой в ИМиМ ДВО РАН технологии получения прочного материала, наплавляемого на элементы конструкций, выполненные из сталей с высоким углеродным эквивалентом. Прочностные характеристики таких сталей, как правило, значительно превосходят характеристики материалов, широко применяемых для сварки и наплавки, но их использование ограничено дополнительными технологическими требованиями. Так, например, для наплавки на сталь 45 требуется использование дугового процесса с подогревом и последующей термообработкой. Кроме того, ввиду склонности этой стали к образованию трещин и пор в зоне термического влияния ее традиционное использование ограничивается слабонагруженными конструкциями. Суть разрабатываемого процесса заключается в совмещении воздействий электрической дуги и алюмотермического процесса на стальную поверхность. Реализация технического решения осуществляется за счет использования на агрегате автоматической дуговой сварки под слоем флюса электрода, выполненного в виде порошковой проволоки с алюмотермитным наполнителем. Наполнитель представляет собой смесь восстановителя и окалины, являющейся отходом машиностроения. Совмещенный процесс создает условия для внесения дополнительного тепла экзотермической реакции, а также позволяет улучшить теплоизоляцию зоны наплавления за счет формирующегося шлака. Возможность использования потенциала углеродистых сталей для получения прочного неразъемного соединения определяет актуальность исследований, проводимых в этом направлении. Рассмотрено влияние теплового режима на формирование прочностных характеристик материала, наплавляемого на пластину из стали 45.

Мельхиор - это сплав меди с никелем, для изменения некоторых свойств данного сплава добавляют железо и марганец в небольших количествах. Данный сплав достаточно хорошо обрабатывается в холодном и горячем состоянии, а также имеет высокую коррозионную стойкость. Цвет мельхиора серебристый, визуально трудно отличить от серебра. Благодаря такой особенности мельхиора сплав получил широкое применение в ювелирном деле. Также используется в производстве медицинских инструментов, высококачественных деталей морских лодок и в изделиях точной механики. Увеличивается прочность и коррозионная стойкость данного сплава с увеличением содержания никеля. В нынешних условиях промышленного производства усовершенствование технологических и служебных свойств сплавов возможно при расширении фундаментальных научных исследований и разработке на их основе новых технологических заключений. Новизна исследований заключается в развитии оригинального прикладного направления материаловедения в машиностроении: разработке рекомендаций по температурно-временному режиму выплавки мельхиора МН19 на основе представлений о приведении расплава в состояние кинетического и термодинамического равновесия с целью повышения и стабилизации качества продукции. Исследованы температурные зависимости структурно-чувствительных свойств жидкого сплава на основе меди. На политермах выявлены особые точки и участки. Получены новые экспериментальные данные о физических свойствах мельхиора марки МН19. Кинематическая вязкость, поверхностное натяжение, плотность и удельное электросопротивление были измерены в диапазоне температур от ликвидуса с превышением на 300-400 oС. Построены и приведены политермы, полученные при измерении кинематической вязкости, удельного электросопротивления, поверхностного натяжения и плотности. На основании полученных экспериментальных данных предложены следующие рекомендации: минимальный нагрев до температуры 1400 ºС, выдержка ≈5 мин для гомогенизации расплава.

Немаловажной характеристикой, которая определяет эксплуатационные свойства материала, является демпфирующая характеристика. Демпфирование отвечает как за гашение шума, так и за гашение вибраций, которые возникают в том или ином оборудовании. В то же время демпфирующие свойства можно изменять, используя как стандартные методы термической обработки, так и более перспективные методы термомагнитной обработки. Изучено влияние температуры термомагнитной обработки на демпфирующую способность, коэрцитивную силу и структуру высокодемпфирующих сплавов системы Fe-Cr-Al с содержанием Cr = 5,2÷19,9 %, Al = 0,4÷3,8 %, подвергнутых предварительному отжигу. Термомагнитную обработку проводили в интервале температур 300-850 ºC при напряженности переменного магнитного поля 4 А/см. Демпфирующие свойства исследовали с использованием обратного крутильного маятника на цилиндрических образцах. Использованы методы: амплитудно-зависимого внутреннего трения, коэрцитивной силы, рентгеноструктурного анализа. Показано, что термомагнитная обработка может приводить как к повышению, так и к снижению демпфирующей способности, что зависит от температуры термомагнитной обработки. Определены значения температуры термомагнитной обработки, соответствующие максимальной демпфирующей способности сплава с учетом влияния двух легирующих элементов Cr и Al. Показано, что при анализе демпфирующих и магнитных свойств сплавов Fe-Cr-Al, получаемых в результате термомагнитной обработки, необходимо учитывать процессы фазовых превращений, влияющие на формирование магнитокристаллической структуры. В зависимости от химического состава сплава такими процессами могут быть процессы α«γ-превращения, образования и растворения карбидов, сегрегаций атомов хрома, фазы типа Fe3Al. Необходимо также учитывать возможность наложения упомянутых процессов друг на друга.

Описываются базовые проблемы FFF/FDM 3D-печати, связанные с поведением расплава пластика в горячей части экструдера. Представлена разработанная научным коллективом Пермского национального исследовательского политехнического университета более мобильная и легкодоступная технология печати полимерных изделий сложной геометрической формы на основе FDM-технологии 3D-печати. Приводится сравнение стандартного и разработанного авторами статьи экструдеров. Сделан вывод о том, что технология FDM далеко не полностью раскрыла свой потенциал из-за широкого спектра технических проблем. Рассмотрен круг вопросов, которые необходимо решить для успешного изготовления полимерных изделий при помощи данной технологии. Выдвинуты гипотезы и пути решения проблем. Рассмотрены перспективы данной технологии, а также дана оценка ее полезности в производстве и для общества. Представлена методика и результаты моделирования поведения расплава полимерного материала внутри сопла FFF/FDM 3D-принтера особой формы. В качестве среды моделирования для определения равномерности нагрева горячей части стандартного экструдера и экструдера нового типа использовался Solid Works Simulation. Для расчета максимальной скорости прохождения полимера через сопло разработанного экструдера при условии равномерного прогрева горячей части (сопла) была построена мультифизическая осесимметричная математическая модель в пакете Сomsol Multiphysics, содержащая тепловую и электромагнитную задачи. Результаты моделирования позволяют определить соотношение скорости печати, длины и температуры прогреваемой части для двух видов полимера. Данная зависимость может быть использована для осуществления регулирования температуры сопла и скорости подачи полимерной нити непосредственно во время печати.Такое регулирование позволит обеспечить более высокое качество изготавливаемых объектов.

Эксплуатационные свойства зубчатых передач в значительной мере определяются точностью изготовления зубчатых деталей и качеством рабочих поверхностей зубьев. В целях обеспечения эксплуатационных характеристик изделий значительное место в технологии изготовления зубчатых передач отводится чистовой (отделочной) зубообработке. Перечисленные выше требования особенно большое значение приобретают при изготовлении рабочей пары многозаходных винтовых героторных механизмов гидравлических забойных двигателей. Для выбора оптимального процесса отделочной обработки при изготовлении сложнопрофильных валов выполнены классификация и анализ всех существующих методов и схем финишной зубообработки, а также оценка их технологических возможностей по точности и шероховатости рабочих поверхностей. Из проведенного анализа установлено, что ни один из широкоизвестных способов отделочной обработки зубчатых поверхностей не может быть использован для реализации отделочной обработки сложнопрофильных валов, так как ряд способов, построенных по схеме обката, может быть реализован только для эвольвентных поверхностей, поскольку профиль инструмента выполнен на основе прямолинейного контура зуборезной рейки. Способы отделочной обработки, реализованные по схеме копирования, не обеспечивают высокие степени точности зубчатых поверхностей. Профиль зуба ротора винтового забойного двигателя имеет в торцевом сечении форму укороченной эпициклоиды и не может быть реализован ни по схеме кинематического обката, ни по схеме копирования из-за сложностей с точным изготовлением, правкой и контролем контура инструмента. Установлено, что наибольшей универсальностью и простотой реализации в производственном процессе обладает способ абразивного глобоидного зубохонингования, который легко реализуется как по схеме кинематического обката, так и по схеме свободного обката. Способ обладает линейным контактом в зоне обработки, что повышает производительность и точность обработки благодаря особенностям зацепления и осреднения погрешностей профиля. При правильном выборе характеристик абразивного слоя глобоидного хона схема обработки легко реализуется с помощью кинематики существующих станков без конструирования специальных нагружающих устройств.