Том 26, № 4 (2024)

Введение. Операция по эндопротезированию тазобедренного сустава предполагает замену поврежденного сустава имплантатом, который может восстановить его функциональность. Технология 3D-печати более перспективна, чем традиционный производственный процесс, когда речь заходит о создании более сложных деталей и форм. Цель текущего исследовательского проекта: определить, насколько быстро можно изготовить имплантат из биоматериала для эндопротезирования тазобедренного сустава с использованием 3D-печати, изучив скорость износа изделий, изготовленных при использовании различных направлений печати. Несмотря на наличие нескольких технологий аддитивного производства, технология послойного наплавления (FDM – fuse deposition modeling) оказала значительное влияние на здравоохранение, автомобильную промышленность и др. В основном это объясняется адаптируемостью различных композиционных материалов на основе полимеров и их экономичностью. Такие полимеры, напечатанные на 3D-принтере, нуждаются в дальнейшем изучении для оценки износа в зависимости от различных направлений 3D-печати. Биоматериалы на основе полимолочной кислоты (PLA – polylactic acid) были тщательно изучены с целью определения их пригодности в качестве материалов для изготовления тазобедренных суставов. Цель работы. В настоящей работе проведено экспериментальное исследование влияния направления печати на износ в условиях сухого трения скольжения материала из полимолочной кислоты (PLA), полученного путем послойного наплавления (FDM), по схеме «штифт – диск (SS 316)». Кроме того, были разработаны экспериментальные и эмпирические модели для прогнозирования производительности с учетом влияния нагрузки и скорости скольжения. Для определения оптимальных параметров был использован алгоритм реляционного анализа «серых» систем. Методы исследования. Методом FDM-печати в различных направлениях изготовлен штифт. Под направлением печати подразумевается печать под углами 0°, 45° и 90°, при этом все остальные параметры 3D-печати оставались неизменными. Испытание на износ проводили по кинематической схеме «штифт – диск». В ходе экспериментов варьировалась нормальная нагрузка на штифт и скорость вращения диска. Эксперименты были методически разработаны для изучения влияния входных параметров на удельную скорость износа. Было проведено около 13 экспериментов на каждое направление печати при пути трения, равном 4 км, в диапазоне нагрузки 400–800 Н при скорости скольжения 450–750 об/мин. Результаты и обсуждение. В ходе исследования были получены важные результаты, особенно касающиеся направления 3D-печати компонентов. Было обнаружено, что наименьший износ при трении скольжения наблюдается у штифта, напечатанного под углом 0°, чуть больший износ характерен для штифта, напечатанного под углом 90°. Соединение слоев на штифте, напечатанном под углом 45°, деформировалось при более высокой нагрузке в основном из-за повышения температуры. Низкая прочность соединения в штифте, напечатанном под углом 45°, привела к сильному износу при трении скольжения. Оптимальный результат достигнут при скорости скольжения 451 об/мин и нагрузке 600 Н. Результаты исследования очень полезны при выборе материалов для 3D-печати биомедицинских имплантатов, изделий медицинского и промышленного назначения.

Введение. Накатывание роликом является одним из самых популярных методов улучшения качества поверхности заготовки, повышения ее износостойкости, микротвердости и коррозионной стойкости. В процессе обработки заготовка сжимается и разглаживается под давлением закаленного ролика. Цель работы. Результаты исследований показывают, что внедрение минимального количества смазки (MQL) во время накатывания роликом дает возможность повысить эффективность процесса за счет снижения трения и улучшения смазывания. Исследования показали, что использование наножидкостей в условиях MQL улучшает производительность обработки. Однако накатыванию роликом сплава Al6061-T6 в условиях смазки минимальным количеством наножидкости (NFMQL) уделялось очень мало внимания. Методы исследования. В свете этого в данном исследовании сравнили эффективность накатки роликами сплава Al6061-T6 в условиях сухого трения и в условиях смазки минимальным количеством наножидкости. Микротвердость, отклонение от круглости и шероховатость поверхности оценены, смоделированы и оптимизированы в исследовании с учетом скорости вращения заготовки, подачи и количества проходов. На основе экспериментальных результатов созданы математические модели для прогнозирования шероховатости поверхности, микротвердости и изменения отклонения от круглости. Результаты и обсуждение. Для разработанных моделей шероховатости поверхности, микротвердости и отклонения от круглости наблюдается значение R-квадрата выше 0,9, что позволяет уверенно использовать эти модели для прогнозирования исследуемых откликов в условиях сухого трения и в условиях NFMQL в пределах области параметров, выбранных в настоящей работе. Согласно этому исследованию обработка, проведенная за четыре прохода при скорости вращения заготовки 357 об/мин и подаче инструмента 0,17 мм/об, позволяет получить минимальное отклонение от круглости (3,514 мкм), лучшую микротвердость (130,19 HV) и наименьшую шероховатость поверхности (0,64 мкм). Кроме того, исследование показывает, что увеличение количества проходов (более четырех) не приводит к значительному улучшению шероховатости поверхности или микротвердости. Однако это приводит к небольшому увеличению отклонения от круглости. Поэтому рекомендуется использовать максимум четыре прохода во время накатывания роликом образцов из алюминиевого сплава Al6061-T6 в условиях сухого трения для достижения оптимальных результатов. Полученные результаты означают, что накатывание роликом может эффективно повысить общее качество поверхности и твердость заготовки. Кроме того, накатка роликами рассматривается как доступный метод повышения функциональности и прочности обработанных деталей за счет снижения вероятности появления поверхностных дефектов, таких как царапины и трещины. Обнаружено, что при увеличении скорости вращения заготовки шероховатость поверхности уменьшается. Тем не менее замечено, что она увеличивается как в условиях сухого трения, так и в условиях NFMQL, когда скорость вращения заготовки возрастает до 360…380 об/мин. Более того, обнаружено, что она уменьшается с увеличением подачи и количества проходов. Однако после трех или четырех проходов при скорости подачи 0,2…0,25 мм/об наблюдается заметное увеличение шероховатости поверхности. Отмечено, что с увеличением подачи микротвердость и отклонение от круглости растут. Кроме того, по мере увеличения количества проходов наблюдается снижение отклонения от круглости и повышение микротвердости. Количество проходов в условиях сухого трения и подача при накатывании в условиях NFMQL оказывают существенное влияние на шероховатость поверхности. Скорость вращения заготовки, по-видимому, оказывает наибольшее влияние на микротвердость, за ней следуют подача и количество проходов. С другой стороны, кажется, что эффект увеличения микротвердости в условиях NFMQL-накатки проявляется сильнее. В условиях сухого трения скорость вращения заготовки оказывает существенное влияние на отклонение от круглости, а при накатывании в условиях NFMQL влияние оказывает подача.

Введение. Развитие горной промышленности требует повышения стойкости и долговечности инструмента. Для долот горно-бурильных машин эта задача часто решается путем улучшения материала зубьев долот. В работе представлены результаты исследования по разработке технологии изготовления твердосплавных буровых коронок с повышенной износостойкостью и испытания опытных образцов при бурении твердых горных пород. Методы и материалы. В работе исследовались твердосплавные зубья долот, изготавливаемые АО «Алмалыкский ГМК» по стандартной и доработанной технологии. Были изучены их строение и химический состав. Изменение технологии подразумевало изменение формы зуба. В качестве исходного компонента также использовался более чистый порошок вольфрама. Результаты и обсуждение. Разработаны и освоены новые способы выполнения технологических операций по изготовлению твердосплавных зубьев (штифтов) и стальных штифтовых долот. При изготовлении вольфрамокобальтовых зубьев использовался твердый сплав ВК10КС, для производства которого применялся порошок карбида вольфрама, синтезированный карбидизацией очищенного порошка вольфрама. Форма поверхности зубьев была изменена с баллистической на полубаллистическую. В качестве связующего использовался металлический порошок кобальта. Штифтовые долота типа КНШ 40´25 изготовлены из стали 35ХГС. Испытания экспериментальных долот проводились на нескольких рудниках, в результате чего была установлена их пригодность для бурения пород с твердостью f? = 14…18. Результаты промышленной эксплуатации показали, что стойкость зубьев долот, изготовленных АО «Алмалыкский ГМК», незначительно уступает долотам европейских производителей. При этом стоимость таких долот в разы ниже.

Введение. В работе представлены результаты получения сложнопрофильного электрода-инструмента (ЭИ) для копировально-прошивной электроэрозионной обработки по технологии литья. Данный способ заключается в использовании мастер-модели, полученной методом быстрого прототипирования. Цель работы: экспериментальное исследование обеспечения точности при изготовлении сложнопрофильных ЭИ методом литья с применением технологии быстрого прототипирования для копировально-прошивной электроэрозионной обработки. Методы исследования. Мастер-модель ЭИ изготавливали на установке Envisiontec Perfactory XEDE по технологии стереолитографии. В качестве исходного материала использовался фотополимер Si500. Промежуточные и окончательные измерения отклонения поверхностей выполнены на КИМ Contura Carl Zeiss G2. Расчет литниково-питательной системы выполнен в ПО ProCast. Получена отливка из литейной латуни ЛЦ40С. Исследование процесса копировально-прошивной электроэрозионной обработки электродом-инструментом, изготовленным литьем с применением технологии быстрого прототипирования, проводилось с помощью копировально-прошивного станка Smart CNC в среде трансформаторного масла. Рабочие параметры: время включения импульса Ton, мкс; напряжение U, В; сила тока I, А. Результаты и обсуждение. Разработана методика проектирования и изготовления сложнопрофильного ЭИ с применением технологии быстрого прототипирования для копировально-прошивной электроэрозионной обработки. Анализ отклонения формы показал, что при изготовлении мастер-модели методом стереолитографии происходит возникновение погрешностей. Экспериментальное исследование отклонения формы мастер-модели показало вогнутость поверхности в диапазоне от 0,03 до 0,07 мм в зависимости от расположения сторон. Показано, что оптимизированная мастер-модель имеет на 25 % меньше отклонений формы. Для изготовления ЭИ по технологии литья разработана литниково-питательная система (ЛПС). При оценивании пористости установлено, что поры сконцентрированы в ЛПС и прибыли, что положительно влияет на качество отливки. Изготовление электрода-инструмента с помощью технологии литья показало, что все параметры точности и шероховатости находятся в заданном допуске и соответствуют исходным данным чертежа. Проведено экспериментальное исследование процесса электроэрозионной обработки профильного паза ЭИ, который был изготовлен методом литья по выплавляемой модели, полученной с применением технологии быстрого прототипирования. Установлено, что размеры полученного паза удовлетворяют заявленным требованиям.

Введение. Цилиндро-поршневая группа (ЦПГ) двигателя внутреннего сгорания судового типа подвержена высоким эксплуатационным нагрузкам. От исправной работы цилиндро-поршневой группы зависит надежность, долговечность и экономичность работы всего двигателя. Смена направления движений поршня и недостаточность смазки, обусловленная разбрызгиванием смазочного материала в процессе работы, приводят к повышенному износу движущегося пакета поршневых колец. Определив, под воздействием каких факторов и как меняется структура металла в процессе эксплуатации, можно учитывать эти факторы в технологии изготовления и упрочнения деталей. Предмет исследований. Объектами исследования являются отработавшие срок эксплуатации верхнее и нижнее компрессионные кольца цилиндро-поршневой группы вспомогательного судового двигателя HIMSEN 4H21/32. Цель: рассмотреть изменения структуры и микроструктуры материала компрессионных поршневых колец вспомогательного судового двигателя HIMSEN 4H21/32, возникающие в результате эксплуатации; сравнить результаты оценки микронапряжений и деформаций поверхностного слоя деталей металлографическими методами и методом рентгеноструктурного анализа для различных условий работы верхнего и нижнего компрессионного кольца. Методы. В исследовании применены металлографический и рентгеновские методы. Описаны условия рентгеновской съемки; рентгеноструктурный анализ проведен на дифрактометре «Дрон-3М». Определены остаточные микродеформации, а также размеры областей когерентного рассеяния (D) и плотность дислокаций на поверхностях образцов. Результаты работы. Представлены результаты металлографического и рентгеноструктурного анализа (РСА). Определены остаточные макро- (s?) и микронапряжения, а также размеры областей когерентного рассеяния (D) поверхностного слоя компрессионных колец. Результаты рентгеноструктурного анализа сопоставимы с результатами металлографических исследований, прослеживается сходимость результатов. Область применения результатов. Результаты исследования могут применяться при подборе технологии изготовления компрессионных колец судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС). Выводы. Целесообразно проводить оценку изменения проявлений напряженного состояния чугуна при воздействии различных факторов. Это позволит подобрать оптимальную технологию изготовления компрессионных колец для обеспечения надежности их эксплуатации. Контроль качества колец различными методами оценки структуры также дает возможность прогнозирования условий разрушения компрессионных колец в процессе эксплуатации. Увеличение степени дефектности верхнего кольца происходит вследствие различного рода деформаций кристаллитов. В результате неупругих деформаций при работе кольца рождающиеся дислокации вызывают сильные механические напряжения.

Введение. Развитие обрабатывающей промышленности привело к появлению новых методов изготовления заготовок и деталей. Одним из таких новых перспективных методов является аддитивное производство, в частности технологии электродуговой и электронно-лучевой наплавки проволокой. Применение этих технологий при производстве заготовок из жаропрочных материалов дает ряд существенных преимуществ. В работе представлены результаты исследования микроструктуры образцов из инконеля марки 625. Образцы были изготовлены путем 3D-наплавки электронным лучом в вакууме и электродуговой наплавки в среде защитных газов. Цель работы: сравнительный анализ микроструктуры заготовок из никелевого сплава инконель 625, полученных с помощью технологий EBAM и WAAM. Методы и материалы. Используемые в работе образцы изготавливались на оборудовании, разработанном в Томском политехническом университете. Проводились металлографические исследования и растровая электронная микроскопия, была определена микротвердость полученных образцов. Результаты и обсуждение. Сравнение образцов, полученных по двум различным технологиям аддитивной печати – EBAM и WAAM, показало общие закономерности формирования структуры, появляющиеся при использовании аддитивных технологий. У образцов наблюдалась дендритная микроструктура, в образцах присутствовали зоны, богатые Ti, Mo и Nb, что характерно для неравновесного охлаждения. В образцах также наблюдались поры. Зерна в образцах имели преимущественно вытянутую форму и ориентировались в направлении теплоотвода. Длина зерен достигала значений 1 мм. Различия в образцах наблюдались в количестве образующихся включений интерметаллидов, в количестве образовавшихся пор и в размере зерен. Технология EBAM дает более однородную структуру. Различие в твердости между EBAM и WAAM составляет около 3,5 %. При этом скорость изготовления образцов по технологии WAAM существенно выше.