Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение

Рассмотрены вопросы системного подхода к обеспечению технологической надежности и предложены технические решения для подсистем и узлов прецизионных автоматизированных металлорежущих станков, направленные на минимизацию влияния процессов различной скорости на показатели точности прецизионной обработки. С учетом накопленного опыта исследований предлагается концепция системного подхода к организации контроля, диагностирования и испытаний прецизионных автоматизированных металлорежущих станков для повышения их точности и надежности в виде многоуровневой структуры. Этапы жизненного цикла станков представлены в ней как уровни организации, причем в них можно выделить подуровни, каждый из которых имеет свой конечный результат. В соответствии с мировыми тенденциями развития технологии металлообработки и организации производства основу потребности этих отраслей будут составлять высокоточные автоматизированные виды оборудования для создания гибких быстропереналаживаемых производств. На базе комплексных теоретических и экспериментальных исследований обоснована необходимость повышения точности формообразующих движений рабочих органов прецизионного технологического оборудования за счет применения многоступенчатых фрикционных передач в силу того, что известные механические передачи приводов не удовлетворяют ряду требований для применения их в приводах подачи, обеспечивающих сверхпрецизионное формообразование деталей. Анализ контактных и силовых взаимодействий в многоступенчатой фрикционной передаче определяет необходимые для конструирования соотношения геометрических размеров роликов, что обеспечивает, в совокупности с выбором оптимального угла между векторами сил поджима роликов, минимальное взаимовлияние фрикционных пар при передаче момента, создающего тяговую силу многоступенчатой фрикционной передачи привода подачи модуля. Разработана математическая модель взаимодействия сил, возникающих при работе двухступенчатой фрикционной передачи, что позволяет оптимизировать силы прижатия роликов, обеспечить повышение КПД многоступенчатых фрикционных передач.

Ярусная литниковая система с прямым стояком широко применяется в литейном производстве. Для того чтобы данная система выполняла свои функции, необходимо обеспечить последовательное включение питателей в работу. Проектирование литниковой системы затруднено в связи с тем, что приходится прибегать к методу последовательных приближений, а также в связи с отсутствием данных о коэффициентах гидравлических сопротивлений. В статье приведена методика расчета незаполненной ярусной литниковой системы. Сначала рассчитывается оптимальное время заполнения формы. Затем определяются размеры узкого места. На начальных этапах проектирования принимается табличная величина коэффициента расхода и определяются предварительные размеры тех элементов литниковой системы, которые нельзя определить конструктивно. Затем при помощи уравнения Бернулли определяется точное значение коэффициента расхода и размеры литниковой системы пересчитываются. Так продолжается до тех пор, пока принятое значение не совпадет с достаточной точностью с полученным. Обобщены данные о величинах коэффициентов гидравлических сопротивлений различных элементов литниковых систем, требующиеся при расчете. Данная методика применена для отливки «Изложница», проведено моделирование заливки в программном комплексе ProCAST. Результаты моделирования подтвердили правильность методики. Удалось обеспечить последовательное включение питателей в работу: сначала форма заполняется через нижний питатель до тех пор, пока он не затопится и металл в форме не достигнет определенного уровня. Затем металл начинает поступать и через верхний питатель, снабжая верхнюю часть отливки горячим металлом, обеспечивая тем самым направленную кристаллизацию.

Широкое применение лазерной сварки при изготовлении продукции ответственного и особо ответственного назначения обусловливается как снижением стоимости лазерного оборудования, так и повышением стабильности технологий лазерной сварки. Большое значение в технологии сварки, помимо контроля и управления параметрами процесса, приобретают контроль и управление процессом проплавления металла свариваемого изделия. Большинство изделий, в которых перспективно использование лазерной сварки, имеют малые толщины. В связи с опасностью возникновения таких дефектов, как непровары и прожоги, возникает необходимость оперативного контроля процесса сквозного проплавления при лазерной сварке. Процессы при лазерной сварке в значительной степени схожи с процессами, наблюдаемыми при электронно-лучевой сварке. В частности, процессы испарения материала, образования и развития парогазового канала, взаимодействия излучения с парами и плазмой позволяют использовать результаты исследований электронно-лучевой сварки в применении к процессам контроля проплавления при лазерной сварке. При этом большое значение имеют теоретические и практические исследования, описывающие механизм образования плазменного факела. Большое количество исследований посвящено изучению процесса взаимодействия лазерного излучения с ионизированными парами материала. Проводимые исследования в основном направлены на изучение физической природы явления и установление ряда закономерностей зарождения и развития плазмы при лазерном облучении поверхностей. Однако практически не исследованы прикладные вопросы, касающиеся характера влияния плазменного факела в различных газовых атмосферах, используемых при лазерной обработке, на глубину проплавления и энергетическую эффективность той или иной лазерной технологии. Плазменный факел, являясь источником заряженных частиц при всех видах лазерной обработки, обеспечивает прохождение значительного по величине тока. Изучение характеристик «лазерной плазмы», позволило создать регистрационную систему. Для отбора тока из плазмы, образующегося в зоне действия лазерного луча, использован коллектор заряженных частиц. Запись сигнала тока в плазме производится с помощью персонального компьютера, оснащенного аналого-цифровым преобразователем. Данный сигнал является информативным и позволяет производить оперативный контроль над процессом сквозного проплавления свариваемых толщин за счет оценки выброса плазмы из корня сварного шва.

Сплав системы титан - ниобий широко используется при производстве имплантатов. В первую очередь это связано с низким модулем упругости и биоинертными свойствами сплава. Наибольшее распространение данные сплавы получили в зубном протезировании и ортопедии. На сегодняшний день сплав системы титан - ниобий в основном получают традиционными методами металлургии. При дальнейшем субтрактивном получении готового изделия образуется большое количество отходов. В связи с этим увеличивается стоимость конечного изделия. Противоположностью данным технологиям является аддитивное производство. Селективное лазерное сплавление (Selective Laser Melting) - технология, позволяющая печатать детали из порошков металлов и их смесей. Ее суть заключается в том, что слой материала в порошковой форме сплавляется лазером, затем поверх сплавленного слоя наносится следующий слой порошка и т.д. Технология используется для создания сложных изделий и рабочих прототипов. В данной работе рассмотрена возможность применения метода селективного лазерного сплавления для получения бинарного сплава из композитного порошка системы титан - ниобий. Получена панель образцов размером 10 ´ 10 мм при различных технологических параметрах. Образцы изготавливались на экспериментальной установке послойного лазерного синтеза «ВАРИСКАФ-100МВ». Данная установка позволяет управлять следующими технологическими параметрами: мощность лазерного излучения, скорость и шаг сканирования, температура подогрева порошка, толщина насыпаемого слоя, диаметр фокусировки пятна лазера. Все образцы получены в защитной среде аргона после предварительного вакуумирования. Построены зависимости изменения пористости и толщины сплавленного слоя от мощности лазерного излучения при разных скоростях сканирования. Установлено, что из всех контролируемых технологических параметров наибольшее влияние на формирование сплавленного слоя оказывает скорость сканирования и мощность лазерного излучения.

Ультравысокотемпературные керамические материалы (УВТК) на основе боридов циркония и гафния представляют большой интерес при создании материалов, работоспособных в экстремальных условиях при температуре >2000 °С в окислительном газовом потоке. УВТК обладают высокой температурой плавления, высокой окислительной стойкостью и устойчивостью к термоудару. Перспективным методом спекания керамики является искровое плазменное спекание (Spark Plasma Sintering - SPS). В процессе SPS при высоких локальных температурах до нескольких тысяч градусов между частицами порошка возникает искровая плазма, в результате чего между компонентами порошковой композиции могут протекать химические реакции с образованием новых фаз, влияющих на свойства керамики. В настоящей работе проведены термодинамические расчеты изменения энергии Гиббса возможных реакций образования новых фаз при искровом плазменном спекании композиций на основе боридов циркония и гафния в диапазоне температур 0-5000 °С. С помощью расчетов сделана оценка вероятности образования побочных фаз при спекании керамики. Проводили механоактивацию порошковых композиций с использованием высокоэнергетической планетарной мельницы, после чего порошки сушили и спекали методом искрового плазменного спекания. Определены температура завершения усадки для каждой композиции, кажущаяся плотность и открытая пористость спеченных образцов методом гидростатического взвешивания. Образцы имеют высокую плотность более 95 %. Проведен рентгенофазовый анализ спеченных образцов рассматриваемых составов, показавший, что спеченная керамика представлена в основном фазами ZrB2, HfB2, ZrO2, α- и β-SiC, La2O3. В некоторых образцах имеются дополнительные пики, указывающие на возможное присутствие фаз сложных оксидов LaBO3 и LaYO3. Образцы керамики исследованы методом сканирующей электронной микроскопии. В межзеренном пространстве обнаружены пограничные фазы, определен их элементный состав. По результатам анализа выявлено, что в этих фазах сконцентрированы элементы из оксидных добавок.

Объектом исследования является процесс формирования шероховатости обработанной поверхности при проволочно-вырезной электроэрозионной обработке (ПВЭЭО). Шероховатость обработанной поверхности при ПВЭЭО зависит от множества факторов: свойств рабочей жидкости, свойств обрабатываемого материала, свойств электрода-проволоки, параметров импульса (время включения и выключения импульса, напряжение в зазоре, сила тока и др.), скорости смотки проволоки, высоты обрабатываемой заготовки и др. Принимая во внимание множество факторов ПВЭЭО, влияющих на формирование шероховатости обработанной поверхности, для анализа взаимосвязи целесообразно применять методику планирования эксперимента. Целью работы является экспериментальное исследование влияния напряжения и скорости смотки электрода-проволоки на формирование шероховатости обработанной поверхности при проволочно-вырезной электроэрозионной обработке. Экспериментальное исследование проводится по методу полного факторного эксперимента. В качестве основных факторов для проведения эксперимента выбраны скорость смотки электрода-проволоки (м/мин) и напряжение в зазоре (В). В работе показано, что при увеличении напряжения U при обработке титана марки ВТ3 и стали марки 09Г2С шероховатость обработанной поверхности Ra (мкм) увеличивается. Установлено, что при увеличении напряжения U при обработке алюминия и стали марки 40ХН2М2 шероховатость обработанной поверхности Ra (мкм) уменьшается. При увеличении скорости смотки проволоки v (м\мин) при обработке алюминия и титана марки Вт3 шероховатость обработанной поверхности Ra (мкм) уменьшается в малых диапазонах. Определено, что исследуемый параметр - скорость подачи проволоки v (м\мин) - при обработке сталей марок 09Г2С и 40ХН2МА не оказывает существенного влияния на формирование шероховатости обработанной поверхности.

Для получения качественной отливки необходимо предотвратить попадание неметаллических включений в полость формы. Для этого следует обеспечить должную работу элемента литниковой системы - шлакоуловителя. При этом необходимо, чтобы за время прохождения потока по всей длине шлакоуловителя шлаковые частицы, даже те из них, которые сначала находились на дне, всплывали на полную высоту канала. Скорость течения в шлакоуловителе должна быть такой, чтобы поток металла не мог увлечь за собой частицы, уже всплывающие в его верхнюю часть. Это становится возможным, если скорость потока не превосходит некоторой предельной величины. В современном литейном производстве представлено множество методик расчета литниковых систем, по которым полученные данные отличаются. В представленной работе обобщены данные о критической скорости течения потока металла для шлаковых частиц железоуглеродистых сплавов, а также о средней линейной скорости подъема металла в форме. Приведены расчеты литниковых систем по стандартным методикам и по методике, предложенной авторами, расчеты шлакоуловителя производили с учетом, что литниковая система в данном случае должна быть замкнутой. Показано, что не все представленные методы дают адекватный результат, так как в стандартных методиках расчета принимается вес литниковой системы, колеблющийся в пределах 10-20 %. Разработанная методика расчета литниковой системы, основанная на критической скорости течения потока металла в шлакоуловителе, в отличие от стандартных методик дает результаты расчетов в виде размеров сечений элементов литниковых систем и длины шлакоуловителя, исходя из заданных параметров литейно-модельных указаний.