Том 23, № 4 (2021)

Введение. Одной из главных причин того, что на современных многоцелевых станках с ЧПУ не используются возможности многоинструментной обработки, является отсутствие рекомендаций по проектированию в этом направлении и соответственно по схемам наладки. Исследование возможностей многоинструментной обработки на многоцелевых станках составляет предмет настоящей работы. Цель работы: рассмотрена задача разработки полнофакторных матричных моделей точности размеров и их чувствительности к процессу обработки для повышения эффективности точности обработки с использованием технологических возможностей многоинструментной обработки на современных многоцелевых станках с ЧПУ. Для этого разработаны полнофакторные матричные модели полей рассеяния размеров, выполняемых на многоинструментных двухсуппортных наладках, с учетом нередко встречающихся на практике случаев обработки деталей с габаритными размерами, резко отличающимися в разных направлениях, и значительном влиянии поворотов обрабатываемой заготовки на погрешность обработки, особенно в направлениях с резко отличающимися габаритными размерами. Результаты работы. Разработанные точностные модели дают возможность рассчитать не только плоскопараллельные перемещения технологической системы для двухсуппортной наладки, но и угловые перемещения вокруг базовых точек с учетом совокупного влияния множества факторов – комплексной характеристики подсистем технологической системы (плоскопараллельная матрица податливости и угловая матрица податливости), геометрию режущего инструмента, величины затупления инструмента, режимов резания и т. д. В результате на базе разработанных точностных моделей возможно получение нескольких путей управления многоинструментной обработкой, включая усовершенствование структуры многоинструментных наладок, расчет предельных значений режимов резания. На основе разработанных полнофакторных матричных моделей возникла возможность разработки рекомендаций по проектированию наладок и созданию автоматизированной системы проектирования многоинструментной обработки для группы современных многоцелевых токарных станков с ЧПУ. Область применения результатов. Полученные результаты могут использоваться при создании математического обеспечения проектирования операций в системах автоматизированного проектирования, предусмотренных для многоинструментной многосуппортной обработки, выполняемой на многоцелевых станках. Выводы. Разработанные модели и методология моделирования точности обработки дают возможность повышать точность и эффективность одновременной обработки, прогнозировать точность обработки в пределах заданных условий.

Введение. Щелевые фильтры востребованы в нефтехимической, машиностроительной, пищевой, горнообогатительной и других отраслях промышленности. Деформирующее резание (ДР) является методом лезвийной обработки, основанном на подрезании и пластическом деформировании поверхностного слоя заготовки без его отделения в виде стружки, и выделяется среди других методов образования щелевых структур возможностью получения фильтров высокой тонкости фильтрации (ширина щелей от 20 мкм) при сравнительно высокой производительности и безотходности. Однако закономерности сквозного прорезания металлов методом ДР практически не были изучены ранее. Цель работы: установление влияния основных параметров деформирующего резания: подачи и глубины резания – на характер получаемых структур, а также выявление сочетаний параметров, при которых обеспечивается получение структур, пригодных для фильтрации. Методом исследования являлись эксперименты по сквозному прорезанию гофров, отштампованных на лентах из меди, и визуальный анализ полученных структур. Прорезание гофров методом ДР производилось на токарном станке с использованием приспособления – барабана с натяжителем. Результаты и обсуждение. Характерные структуры, полученные при различных сочетаниях глубины резания и подачи, были систематизированы и выделены в следующие группы: 0 – отсутствие сквозного прорезания; 1 – равномерные щели; 2 – «двойникование» (попарное сближение стенок щелей); 3 – срывы через одно ребро; 4 – нерегулярные либо постоянные срывы; 5 – равномерные щели с образованием сплошного заусенца – «юбки» –  на внутренней стороне гофра вдоль ряда щелей; 6 – равномерные щели с неполностью раскрывшейся «юбкой». В интервале подач 0,2…0,4 мм/об с увеличением глубины резания наблюдается переход от структур группы 1 к структурам группа 2, причем чем больше подача, тем больше максимальная глубина резания, при которой сохраняются равномерные щели. Группа 1 отнесена к области структур, пригодных для задач фильтрации, однако она характеризуется образованием индивидуальных заусенцев с внутренней стороны щелей. При меньших подачах (до 0,2 мм/об включительно) с дальнейшим увеличением глубины резания достигается ещё одна область структур, признанных пригодными для получения фильтров, – групп 5 и 6. При образовании «юбки» отсутствуют индивидуальные заусенцы для каждой щели, форма щелей более чистая. С уменьшением подачи уменьшается ширина получаемых щелей. Наименьшая подача, при которой получены равномерные щели – 0,05 мм/об, что соответствует ширине щелей 19 мкм. Установление причин образования «юбок» и «двойникования» потребуют дальнейшего исследования.

Введение. Во время механической обработки результирующая температура оказывает более широкое и критическое влияние на производительность обработки. Во время обработки потребляемая мощность в основном преобразуется в тепло вблизи режущей кромки инструмента. Почти вся работа, выполняемая при пластической деформации, превращается в тепло. Исследователи приложили много усилий для измерения температуры резания во время обработки, поскольку это существенно влияет на срок службы инструмента и общую производительность обработки. Цель работы: исследовать температуру на поверхности раздела стружка–инструмент с учетом влияния параметров резания и типа покрытия инструмента при точении SS304. Температура на границе раздела стружка–инструмент измеряется путем изменения скорости резания и подачи при постоянной глубине резания твердосплавными инструментами без покрытия; с однослойным покрытием TiAlN и многослойным покрытием TiN/TiAlN, нанесёнными методом осаждения паров (PVD). Кроме того, предпринята попытка разработать модель для прогнозирования температуры на границе раздела стружка–инструмент с использованием размерного анализа и моделирования на основе ИНС для лучшего понимания процесса. Методы исследования. Эксперименты проводили при изменении скорости резания (140…260 м/мин) и подачи (0,08…0,2 мм/об), но при сохранении постоянной глубину резания, равной 1 мм. Температуру на границе раздела стружка-инструмент измеряли с использованием принципа термопары для обработки инструмента. Калибровочная установка (Calibration Setup) предназначена для установления взаимосвязи между создаваемой электродвижущей силой (ЭДС) и температурой резания во время обработки. Для прогнозирования температуры на границе раздела стружка–инструмент был проведен статистический размерный анализ и построена модель на основе искусственных нейронных сетей. Тангенциальная сила резания и характеристики стружки, такие как ширина и толщина, также измерялись при различных условиях резания, что является необходимым при моделировании размерного анализа. Результаты и их обсуждение. Твердосплавный инструмент с PVD-покрытием из TiAlN имел более низкую температуру на границе раздела стружка–инструмент, чем инструмент с покрытием из TiN/TiAlN. Было замечено, что температура на границе раздела стружка–инструмент заметно возрастает с увеличением скорости резания, площадью поперечного сечения стружки и удельного давления резания. Однако меньшая сила резания наблюдалась при использовании твердосплавного инструмента с многослойным покрытием TIN/TiAlN, что можно объяснить более низким коэффициентом трения, создаваемым передней поверхностью этого инструмента для стекающей стружки. Вместе с тем наибольшая сила резания наблюдалась при использовании твердосплавного инструмента без покрытия. Было отмечено, что разработанные модели позволяют прогнозировать температуру на границе стружка–инструмент с абсолютной погрешностью 5 %. Однако наименьшая средняя абсолютная погрешность в 0,78 % наблюдалась в модели, построенной с использованием ИНС и, следовательно, может быть надежно использована для прогнозирования температуры интерфейса стружка–инструмент во время точения SS304.

Введение. Эффективность эксплуатации металлообрабатывающих инструментов во многом обусловлена работоспособностью их режущей части, повысить которую можно путем исследования ее напряженно-деформированного (НДС) и температурного состояния. Известные методы исследований НДС либо обладают низкой точностью, либо неприменимы для исследования в процессе работы инструментов, изготовленных из материалов, обладающих высокими механическими характеристиками. В свою очередь, исследование температурных полей с использованием известных методов вызывает большие трудности из-за малого размера рабочей зоны инструментов, высоких температур и большого температурного градиента, возникающих в процессе их работы. Цель работы: разработка новых экспериментальных методов исследования НДС и температурных полей режущего инструмента в процессе его работы с использованием лазерной интерферометрии. Методы включают в себя: получение интерференционных картин с помощью интерферометра оригинальной конструкции; регистрацию в процессе работы инструмента изменения полей поперечных деформаций его режущей части по соответствующим интерференционным картинам, полученным с помощью высокоскоростной видеосъемки; расшифровку картин с разделением полей деформаций, вызванных нагревом и контактными нагрузками; расчет полей температур и составляющих напряжений с использованием механических характеристик и температурного коэффициента линейного расширения инструментального материала. Преимущества разработанных методов: применимость при реальных условиях эксплуатации инструмента, возможность исследования нестационарных НДС и температур в процессе работы, высокое пространственное разрешение и малая предельная площадь исследуемой поверхности. Результаты и обсуждение. Экспериментальное исследование подтвердило работоспособность методов. Получены поля составляющих напряжений и температур при свободном точении заготовки из жаропрочной стали резцом из твердого сплава ВК8. Разработанные методы могут быть использованы при изучении работоспособности режущей части инструментов в условиях, приближенных к реальным, а также для получения граничных условий при исследовании НДС материала заготовки в зоне обработки.

Введение. Контроль механических свойств конструкционных сталей является одним из основных процессов, регламентирующих срок эксплуатации оборудования. В большинстве технических процессов (обработка давлением, сварка, прокатка, термическое воздействие) происходит изменение ее структуры как в локальных областях, так и во всем объеме. Изменение структуры влечет за собой изменения свойств стали, в результате которых в локальных областях, на различных этапах эксплуатации увеличивается вероятность возникновения и развития критических дефектов. Их наличие существенным образом сказываются на эксплуатационных характеристиках оборудования и приводят к преждевременному старению материала и выводу его из строя. Именно потому, что контроль механических свойств стали остается одной из актуальных проблем, разрабатываются новые методы контроля. Известно, что все свойства стали зависят от структуры вещества, однако работ по изучению влияния дисперсности рассматриваемой структуры на механические свойства представлены в незначительном объеме. Цель работы: проанализировать, с математической точки зрения влияние фактора разнозернистости, как параметра, отражающего дисперсности системы, на механические свойства конструкционной стали. В работе исследованы термообработанные образцы стали 15ХСНД, 09Г2С и Ст3, изготовленные из листового проката. Методы исследования. Для исследования сталей 15ХСНД, 09Г2С и Ст3 в работе применялись: растровый электронный и оптический микроскопы – для изучения зеренной структуры и межзеренных границ; программный пакет SIAMS 700 – для нахождения границ и среднестатистических данных зеренной структуры; портативный рентгенофлуоресцентный анализатор металлов и сплавов X-MET 7000 – для определения химического состава исследуемых образцов в процентном отношении; разрывная машина ИР-50 – для измерения предела прочности образцов; твердомер по Виккерсу – для определения твердости образцов. Результаты и обсуждения. Обнаружено, что для механических свойств конструкционных сталей (твердости и предела прочности), величины внутренних напряжений и фактора разнозернистости наблюдается удовлетворительная корреляция, которая может быть использована для предсказания опасных состояний конструкций и времени их эксплуатации. Проведен дисперсионный и регрессионный анализ обнаруженных зависимостей. Замечено, что выпадение некоторых значений из общей регрессионной зависимости, скорее всего, может быть связано с уменьшением величины внутренних напряжений в результате уменьшения искажений кристаллической решетки стали, происходящих при термической обработке. Стоит отметить, что происходящие процессы и степень их влияния на свойства рассматриваемых конструкционных сталей могут быть различными из-за наличия в составе исследованных сталей разного количества легирующих элементов.

Введение. Проблема прочности конструкционных материалов при циклических нагрузках имеет важное значение в конструировании. Значительное количество факторов, которые влияют на характеристики сопротивления усталостному разрушению, предопределило создание многочисленных методов, учитывающих это влияние. Неразрушающие методы, основанные на связи физических процессов деградации материала с деформационными характеристиками, позволяют экспериментально оценивать усталостные свойства материалов. Цель работы: анализ процессов диссипации энергии и накопления деформаций, происходящих при неупругом циклическом деформировании образцов на примере титанового сплава ВТ6 (Ti-6Al-4V) и алюминиевого сплава Д16 (Al-Cu-Mg) до и после технологического воздействия. В работе экспериментально исследованы физические процессы деградации образцов (сплавы ВТ6 и Д16), которые сопровождают процесс усталостного повреждения материалов при однородном и неоднородном НДС в области концентратора (в виде отверстия и сварного шва). Используются типовые режимы выхода на режим усталостных испытаний, позволяющие определить критические напряжения в образце материала – напряжение, при котором происходит изменение физических свойств (температуры, деформации) без доведения образцов до усталостного разрушения. Выполнено сравнение критических амплитуд напряжений в цикле для экспериментальных данных и результатов математического моделирования. При помощи метода конечных элементов (МКЭ) оценено влияние концентраторов напряжений на значение критических нагрузок, которые способны выдержать деталь после технологической операции. В результате дана оценка влияния эксплуатационно-технологических факторов на величину критических напряжений, определяемых по температуре и деформациям. Сравнительные испытания образцов сплава ВТ6 и Д16 с концентраторами напряжений и без концентраторов показали, что амплитуды критических напряжений по сравнению с образцами без концентраторов напряжений снижаются более чем на 30 % у материалов. Проведены малоцикловые усталостные испытания образцов из сплава Д16. Выполнено математическое моделирование циклического деформирования образцов в пакете MSC.Marc. Обсуждаются результаты испытаний при циклическом нагружении, показывающие, что характеристики технологического процесса уменьшают амплитуды критических напряжений сплавов ВТ6 и Д16 и ухудшают усталостные свойства алюминиевого сплава Д16. Математическое моделирование показало удовлетворительное соответствие с данными экспериментов. Такое соответствие указывает на возможность проведения качественных численных оценок начала накопления неупругой деформации в конструкциях с концентраторами напряжений при циклическом деформировании и возрастающей амплитудой напряжений с использованием классической модели упругопластического материала с упрочнением.

Введение. Карбид и диборид титана характеризуются высокими значениями твердости, химической инертностью и по этой причине широко используются в современной технике. В статье приведены сведения о синтезе карбида и диборида титана карботермическим и карбидоборным методами, соответственно, об использовании карбида титана в качестве абразива и при изготовлении безвольфрамовых твердых сплавов, карбидосталей, износостойких покрытий, а также диборида титана при получении режущего инструмента и применении его в качестве модифицирующей добавки при изготовлении керамики из карбида бора. Целью работы является исследование процессов синтеза высокодисперсных порошков карбида и диборида титана, перспективных для изготовления режущего инструмента, износостойких покрытий, абразивов и керамики. Методы исследования. Реагентами при синтезе карбида и диборида титана служили оксид титана TiO2, нановолокнистый углерод (НВУ) и высокодисперсный карбид бора. Эксперименты по получению карбида титана проводились в печи сопротивления, а диборида титана – в индукционной печи. Рентгеновские исследования фазового состава образцов карбида и диборида титана проводились на дифрактометре ARL X?TRA (Thermo Electron SA). Определение содержания титана и примесей в образцах карбида и диборида титана выполнялось рентгеноспектральным флуоресцентным методом на анализаторе ARL–Advant'x. Содержание общего углерода в образцах карбида титана определялось на приборе С-144 фирмы LECO. Определение содержания бора и прочих элементов для образцов диборида титана выполнялось методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (АЭС–ИСП) на спектрометре IRIS Advantage (Thermo Jarrell Ash Corporation). Морфология поверхности и размеры частиц образцов изучались на растровом электронном микроскопе Carl Zeiss Sigma. Определение распределения размеров частиц/агрегатов выполнялось на лазерном анализаторе MicroSizer 201 (ВА Инструментс). Результаты. В статье предложены технологические процессы получения высокодисперсных порошков карбида и диборида титана. Оптимальная температура синтеза карбида титана 2000…2100 оС, а диборида титана 1600…1700 оС. Содержание основного вещества находится на уровне 97,5…98,0 масс.%. Обсуждение. Предложен возможный механизм образования карбида и диборида титана, заключающийся в переносе паров оксидов титана на поверхность твердого углерода (синтез карбида титана) и паров бора и оксидов титана на поверхность твердого углерода (синтез диборида титана). Из-за высоких значений чистоты и дисперсности полученные порошки карбида и диборида титана могут быть использованы для изготовления режущего инструмента и керамики. По этой же причине полученный порошок карбида титана может быть использован в качестве абразивного материала для изготовления безвольфрамовых твердых сплавов, карбидосталей, износостойких покрытий, а порошок диборида титана – для приготовления режущего инструмента и керамики на основе карбида бора.