№ 1 (2021)
- Год: 2021
- Статей: 7
- URL: https://vektornaukitech.ru/jour/issue/view/27
-
Описание:
Опубликован: 31.03.2021
Весь выпуск
Регулирование формы и размеров частиц порошков при плазменном распылении
Аннотация
Аддитивные технологии относятся к числу наиболее стремительно развивающихся направлений современного производства. Для обеспечения поступательного движения развития аддитивных технологий в РФ необходимо обеспечить максимальную доступность отечественных предприятий к аддитивному сырью – сферическим металлическим порошкам, однако отсутствие отечественных установок для производства таких порошков затрудняет решение этой задачи. В СПбПУ Петра Великого были разработаны и успешно прошли промышленные испытания системы плазменной атомизации твердых металлических фидстоков различных химических составов. В работе приводятся результаты исследования влияния ряда технологических параметров на гранулометрический размер, форму и дефектность порошков стали 12Х18Н9 и сплава ВЖ98. Приведены результаты исследований влияния таких параметров распыления, как сила тока и скорость плазмообразующего газа, подаваемых на плазмотрон и объем защитного газа, подаваемого в факел распыления через форсунки системы «кипящего слоя», расположенного в средней части камеры распыления атомайзера. Показано, что, повышая силу тока и скорость плазмообразующего газа, можно снизить средний размер частиц порошка, а изменяя объем подачи защитного газа – регулировать форму частиц. Анализ химического состава полученных порошков показал, что в процессе распыления угара легирующих элементов не происходит и состав порошка не отличается от составов исходных фидстоков. В работе приведены разработанные режимы распыления фидстоков сплавов, показана возможность получения металлических порошков с уровнем сферичности 92–96 % и минимальным – не превышающим 0,5 % от общей массы порошка – количеством частиц с неметаллическими включениями, наружными и внутренними дефектами.
7-15
Структурно-фазовые превращения при деформации сплавов Fe-Co-V методом кручения под высоким давлением
Аннотация
Сплавы Fe-Co относятся к классу магнитно-мягких материалов и обладают при комнатной температуре очень высоким значением намагниченности насыщения σ. В частности, сплав Fe-Co с эквиатомным соотношением компонентов имеет при комнатной температуре максимальное значение σ среди всех известных ферромагнитных материалов. К сожалению, уникальные магнитные свойства этих сплавов (особенно Fe-Co) трудно реализовать из-за их высокой хрупкости, которая обусловлена главным образом формированием в структуре дальнего атомного упорядочения по типу В2. Для повышения пластичности сплавы Fe-Co легируют ванадием, но при этом снижаются основные магнитные характеристики. В данной статье с помощью рентгеноструктурного анализа, просвечивающей электронной микроскопии и магнитометрии проанализировано влияние кручения под высоким давлением при температурах 77 и 295 К на структуру и фазовый состав магнитно-мягких сплавов (Fe-Co)100-xVx (x=0–6,0). В качестве основного структурного параметра до и после деформации анализировалась величина объемной доли γ-фазы в ОЦК магнитной матрице. Установлено, что пластическая деформация приводит к подавлению образования избыточной γ-фазы в сплавах, содержащих (3,0–6,0) % V. Показано, что исчезновение γ-фазы наблюдается по мере роста деформации методом кручения под высоким давлением сначала в сплавах с высоким содержанием ванадия и при деформационном воздействии при более высокой температуре (295 К). Сделано заключение, что обнаруженный эффект является следствием протекания мартенситного превращения γ→α, обусловленного деформацией, по аналогии с ТРИП-эффектом. Выявлено, что подавление парамагнитной γ-фазы ведет к заметному повышению удельной намагниченности насыщения.
16-23
Оценка параметров текстуры прецизионных поверхностей с применением квазиоптимальных корреляционных алгоритмов
Аннотация
Рассмотрен новый метод текстурного анализа прецизионных механически обработанных поверхностей, который основан на применении компьютерной оптики и автокорреляционного метода обработки полученных изображений текстур исследуемых микрорельефов. Метод основан на вероятностной сравнительной оценке неизвестной текстуры исследуемого микрорельефа с известными текстурами эталонных микрорельефов, для которых определены параметры микрорельефов. В статье предложен подход к идентификации шероховатости поверхности профиля пера лопаток газотурбинного двигателя (ГТД) после виброконтактного полирования по параметрам текстуры корреляционной поверхности. Микрогеометрия поверхности спинки и корыта лопаток исследовалась на оптико-электронном комплексе на основе вычисления средней амплитуды переменной составляющей автокорреляционной функции, полученной в результате компьютерной обработки видеоизображения поверхности. Применение оптико-электронного метода оценки текстуры поверхности компрессорных и турбинных лопаток позволяет строить поля шероховатости поверхности и более глубоко анализировать технологию окончательной обработки профиля пера лопаток ГТД. Актуальность и новизна работы заключается в перспективном способе оценки параметров качества поверхности с помощью оптико-электронного метода, особенностью которого является измерение шероховатости площади поверхности, тогда как щуповые методы измеряют шероховатость профиля поверхности. Важным преимуществом предлагаемого метода является применение его для измерения параметров шероховатости криволинейной поверхности бесконтактным способом, что технологично, так как существуют поверхности деталей, не предполагающие их царапание алмазной иглой.
24-31
Разработка цифрового двойника процесса точения на основе машинного обучения
Аннотация
На сегодняшний день производственные технологии развиваются в рамках концепции «Индустрия 4.0», которая представляет собой внедрение информационных технологий в промышленности. Одной из наиболее перспективных цифровых технологий, находящей все большее применение в производстве, является цифровой двойник, представляющий собой ансамбль математических моделей технологического процесса, который обменивается информацией со своим физическим прототипом в режиме реального времени. В работе рассматривается пример формирования нескольких взаимосвязанных прогнозирующих модулей, входящих в структуру цифрового двойника процесса точения и предназначенных для прогнозирования качества обработки, характера стружкообразования, силы резания. Проведен трехфакторный эксперимент по твердому точению стали ХВГ, закаленной до твердости 55 HRC. На примере проведенного эксперимента описан процесс разработки диагностического модуля цифрового двойника на основе искусственных нейронных сетей. Выявлены более высокие точность, адаптивность и универсальность искусственных нейронных сетей при разработке математической модели для прогнозирования и диагностики процесса резания. Разработанная математическая модель онлайн-диагностики процесса резания для определения качества поверхности и типа стружки при обработке использует фактическое значение снимаемого припуска, определяемого косвенно по силовой нагрузке на приводе. При этом модель использует только сигналы датчиков, входящих в диагностическую подсистему на станке с ЧПУ. В качестве информативного признака, отражающего силовую нагрузку на приводе главного движения станка, выбрано значение энергии сигнала силы тока в моторе привода шпинделя. Установлено, что развитие цифрового двойника возможно за счет разработки дополнительных модулей, прогнозирующих точность размеров, геометрический профиль, износ инструмента.
32-41
Использование цифровых двойников для математического моделирования ультразвукового сверления титановых заготовок
Аннотация
В статье рассматривается создание и исследование компьютерных моделей сверления заготовок из титанового сплава методом Лагранжа и Галеркина. Разработанные конечно-элементные модели предназначены для проведения исследований процесса механической обработки и оптимизации технологических параметров резания. Представлены результаты численных исследований сверления титановых заготовок с использованием программ математического моделирования, позволяющие полностью имитировать технологические процессы в компьютере (цифровой двойник). В качестве программы для моделирования процесса съема припуска с титановой заготовки применяли программный многоцелевой продукт конечно-элементного моделирования и анализа высоко-линейных динамических процессов с использованием различных схем интегрирования по времени Ls-DYNA. Применение метода Галеркина позволяет адекватно описать процесс сверления с введением в зону обработки энергии ультразвукового (УЗ) поля, существенно сокращает длительность проведения экспериментальных исследований и дает возможность оценить влияние элементов режима резания и конструктивных параметров инструмента на силовые и энергетические аспекты формообразования новых поверхностей деталей машин. Оба метода пригодны для создания различных процессов механообработки, однако метод Лагранжа менее чувствителен к энергии ультразвукового поля. Введение в зону сверления заготовок из труднообрабатываемых титановых сплавов энергии ультразвукового поля позволяет существенно снизить энергетические затраты. В результате моделирования был получен расчетный файл, содержащий процесс симуляции, решение которого визуально отражает процесс сверления титановой заготовки, максимально приближенный к реальной ситуации, со снятием стружки. Однако для полной верификации результатов численных исследований необходимо осуществить экспериментальную проверку и внести полученные коррективы в расчетные данные.
42-54
Повышение режущей способности шлифовального круга при обработке заготовок из пластичных сталей наложением ультразвуковых колебаний на заготовку
Аннотация
Целью исследования стало выявление связи интенсивности налипания с ультразвуковыми колебаниями (УЗК), используемыми в процессе обработки, и оценка работоспособности кругов при шлифовании заготовок из пластичных материалов. Выполнено численное моделирование локальных температур и температуры заготовки из стали 3Х3М3Ф в процессе шлифования с наложением УЗК. Установлено, что применение УЗК амплитудой 3 мкм приводит к снижению локальных температур на 13…40 %, температур заготовки – до 20 %. Расчетом установлено, что наложение УЗК амплитудой 3 мкм способствует снижению коэффициента засаливания на 33 % для режущего и на 7 % для пластически деформирующего зерна. При увеличении скорости продольной подачи или глубины шлифования коэффициент засаливания при использовании УЗК увеличивается в меньшей степени, чем в случае, когда колебания не накладываются. Выполнено численное моделирование локальных температур при царапании образцов из стали 3Х3М3Ф единичными абразивными зернами с наложением УЗК. Рассчитана деформация налипа, а также напряжения, являющиеся следствием этой деформации, действующие на соединение налипа с зернами без наложения и с наложением УЗК. В процессе экспериментальных исследований осуществляли микрорезание образцов единичными абразивными зернами. Установлено, что в меньшей степени изнашиваются и засаливаются абразивные зерна при микрорезании с наложением на заготовку УЗК. Снижение коэффициента засаливания при наложении УЗК является следствием снижения интенсивности налипания частиц материала заготовки на абразивные зерна за счет схватывания. Рассмотрена возможность повышения эффективности плоского шлифования за счет использования энергии УЗК, накладываемых на заготовку в направлении, совпадающем с осью шлифовального круга. Заготовка закрепляется в устройстве между излучателем колебаний и опорой, т. е. является одним из звеньев колебательной системы. Экспериментальные исследования выполнили при шлифовании периферией круга заготовок из сталей 3Х3М3Ф и 12Х18Н10Т. При шлифовании с УЗК коэффициент шлифования увеличивается до 70 %, а период стойкости круга – в 2…3 раза.
55-62
Сравнительный анализ тепловых эффектов в эластомерах, модифицированных МУНТ при постоянном электрическом напряжении
Аннотация
Проведен сравнительный анализ эластомеров – полиуретана (НПК) и кремнийорганического компаунда (НКОК), модифицированных углеродными нанотрубками (МУНТ) с массовым содержанием от 1 до 9 %. МУНТ синтезированы по CVD-технологии с применением катализаторов Co-Mo/Al2O3-MgO (МУНТ1) и Fe-Co/2,1Al2O3 (МУНТ2). Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что самая низкая удельная объемная электропроводность (5×10-10 См×см-1) характерна для полиуретанового эластомера (1 мас.% МУНТ, синтезированных на катализаторе Fe-Co/2,1Al2O3). Для кремнийорганического эластомера, модифицированного 9 мас.% МУНТ1, удельная объемная электропроводность составила 4×10-1 См×см-1. Определены параметры перколяционной модели электропроводности для НПК, НКОК с МУНТ1 и МУНТ2 с учетом коэффициента упаковки МУНТ и критического индекса электропроводности. Наибольшая равномерность температурного поля характерна для кремнийорганического эластомера с 7 мас.% МУНТ2. Неоднородное температурное поле в модифицированных эластомерах, изготовленных на основе полиуретана, может быть вызвано локальной спутанностью МУНТ, выраженной в образовании агломератов, или более плотной упаковкой электропроводящих сетей, которая, в свою очередь, приводит к снижению тепловой мощности. Температура нагрева наномодифицированных композитов, изготовленных из НКОК 1 и НКОК 2, может варьироваться от 32,9 до 102 °С. Исследованы режимы тепловыделений наномодифицированных эластомеров в диапазоне от 6 до 30 В постоянного электрического тока. Проведено сравнение тепловыделений в образцах на основе эластомеров и керамики. Исследование позволило выявить наилучшее сочетание полимерной матрицы и типа МУНТ. Для электронагревателей наиболее рационально применять кремнийорганический компаунд при концентрации МУНТ 7 % и в зависимости от уровня питающего напряжения 12 или 24 В использовать МУНТ1 или МУНТ2.
63-73