6. Машиностроение
| Вид материала | Документы |
- Машиностроение входит в состав промышленности под названием "Машиностроение и металлообработка", 415.91kb.
- Машиностроение I общая характеристика основной образовательной программы (ооп), 290.03kb.
- Программа вступительного экзамена в магистратуру по спец предмету специальности 6М071200, 156.59kb.
- Итоги выставок "Машиностроение. Станки. Инструменты" и "сварка-2004" c 15-18 июня 2004, 23.41kb.
- Президента Российской Федерации в Сибирском федеральном округе, Совета закон, 884.39kb.
- Аннотация рабочей программы дисциплины б. 1 «История» укрупненная группа 150000 Металлургия,, 2233.77kb.
- Аннотация рабочей программы дисциплины б. 1 «История» укрупненная группа 150000 Металлургия,, 2087.38kb.
- Рекомендации и заключение XV международной научно-технической конференции «машиностроение, 280.76kb.
- Рекомендации и заключение XIII международной научно-технической конференции «Машиностроение, 251.37kb.
- Рекомендации и заключение XIV международной научно-технической конференции «машиностроение, 250.61kb.
Шифр гранта Т00-6.1-581
Публикации
1. Сидоренко А.С., Станкевич А.И. Вибрации трубопроводов с нелинейным закреплением // Материалы VIII Международного симпозиума "Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред". - М.: Изд. "Оптимпресс", 2002. - С.84-85.
Подраздел 6.2. Машиностроительные материалы; термическая и упрочняющая обработка; производство неметаллических изделий
ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ АРМИРОВАННЫХ ОБОЛОЧЕК ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВОДОКНИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ГОРЯЧЕЙ ОБКАТКИ
Руководитель НИР: Галкин В.И.
РГТУ "МАТИ" им. К.Э.Циолковского
Проанализированы особенности получения, строения и обработки давлением волокнистых композиционных материалов (ВКМ). Разработана система критериальных выражений и предложена методика анализа и разработки процессов обкатки полых цилиндрических армированных оболочек на примере ВКМ системы алюминий – бор. С помощью критериальной системы определены оптимальные параметры нового технологического процесса. Проведенный анализ показал возможность изготовления армированных оболочек методом обкатки за один проход. Предложено рассматривать процесс компактирования при обкатке как двухстадийный процесс. На первой стадии обеспечивается компактное состояние материала, на второй – адгезионное взаимодействие компонентов ВКМ. Сохранение сплошности волокон реализуется за счет регламентации величины обжатия, не превышающего радиальной прочности волокон. Формирование прочного соединения компонентов обеспечивается температурно – скоростными условиями процесса.
Построена математическая модель процесса компактирования, которая реализована методом конечных элементов с помощью программного продукта Ansys/LS Dyna. Определены напряжение компактирования, радиальные воздействия на волокна, объяснено саморегулирование структуры ВКМ. Полученные результаты хорошо согласуются с данными экспериментов.
Спроектирована экспериментальная установка для обкатки, обеспечивающая требуемые условия деформирования. На новый способ изготовления армированных оболочек подана заявка на изобретение № 2001131365 “Способ получения армированных полых цилиндрических изделий из волокнистых композиционных материалов” (приоритет от 21.11.2001г.).
Шифр гранта Т00-6.2-1536
Публикации
1. Галкин В.И., Палтиевич А.Р., Нуждин В., Преображенский Е. Новые процессы производства армированных оболочек и гнутых профилей из волокнистых композиционных материалов на металлической основе. В сб. Международной конференции "Слоистые композиционные материалы", Волгоград, 2001.
2. Галкин В.И., Палтиевич А.Р., Нуждин В., Преображенский Е. Способ получения армированных полых цилиндрических изделий из волокнистых композиционных материалов. Заявка на изобретение № 2001131365, 2001.
3. Галкин В.И., Палтиевич А.Р., Нуждин В., Преображенский Е. Разработка процесса производства армированных оболочек и гнутых профилей из волокнистых композиционных материалов на металлической основе. В редакции журнала "Технология легких сплавов".
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАНИЗМОМ ХОЛОДНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ, СТРУКТУРОЙ И КОМПЛЕКСОМ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ МЕТОДАМИ ВОДОРОДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Руководитель НИР: Коллеров М.Ю.
“МАТИ”-РГТУ им. К.Э. Циолковского
Исследовано влияние водорода и термической обработки на формирование фазового состава и структуры высокопрочных титановых сплавов. Изучено влияние водорода на формирование структуры, текстуры и механических свойств при холодной пластической деформации титановых сплавов. Установлено, что легирование водородом (a+b)-титановых сплавов критического и закритического состава подавляет механизм мартенситного формоизменения при холодной пластической деформации, способствуя реализации механизма скольжения. В сплавах докритического состава водород способствует формированию механически нестабильной b - фазы и ее распаду при деформации с образованием мартенситных и гидридных фаз.
Исследовано взаимодействия водорода с дислокационной структурой титановых сплавов при пластической деформации и термической обработке. Установлено, что кинетика формирования водородных атмосфер на дефектах кристаллического строения влияет на механические свойства титановых сплавов. Образование равновесных атмосфер на дислокациях приводит к повышению их стартовых напряжений, но снижает напряжения, необходимые для их движения в структуре b-фазы с более низкими упругими искажениями. Вылеживание деформированных сплавов приводит к закреплению дислокаций водородными атмосферами и хрупкому разрушению при дальнейшей холодной деформации.
Изучено влияние условий обработки давлением на деформационные характеристики высокопрочных сплавов титана. Исследовано влияние вакуумного отжига деформированных водородосодержащих сплавов титана на их структуру. Определены изменения механических свойств деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов при термической обработке. По результатам работы разработаны рекомендации по технологии холодной пластической деформации, включающие регламентацию состава обрабатываемого сплава, времени выдержки между этапами деформации и применения рекристаллизационного отжига.
Технологические процессы получения тонкого листа и фольги, а так же штамповка изделий из высокопрочных титановых сплавов при нормальной температуре получены впервые в мировой практике. Исследования по влиянию водорода на механизм холодной пластической деформации, структуру и свойства высокопрочных и специальных сплавов титана имеют мировой приоритет.
Шифр гранта Т00-6.2-1486
Публикации
1. М.Ю. Коллеров, М.Б. Самсонова, Е.В. Шинаева, А.А. Филатов Влияние системы и степени легирования на структуру и деформируемость титановых сплавов при нормальной температуре. В сб. Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского Вып. 4 (76). _ М.: Изд-во ЛАТМЭС, 2001, с. 52-56
2. Афонина М.Б., Шинаева Е.В., Дмитриев А.А., Засыпкин В.В. Влияние условий обработки давлением на деформационные характеристики высокопрочных сплавов титана. В сб. тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции Новые материалы и технологии _ НМТ-2002. _ М.: МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2002, с. 6-7
МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ПУТЕМ ДИФФУЗИОННОЙ ИНТЕРМЕТАЛЛИЗАЦИИ
Руководитель НИР: Лысак В.И
Волгоградский .ГТУ
Задача повышения долговечности деталей машин и механизмов всегда являлась актуальной для машиностроения и решалась путем формирования на рабочих поверхностях износостойких слоев, содержащих упрочняющие фазы, в том числе интерметаллидные соединения. Обычно требуемые свойства поверхностей таких деталей обеспечиваются как нанесением защитного слоя из другого материала, например, наплавкой, напылением, осаждением и др., так и преобразованием поверхностного слоя металла изделия при помощи химических, физических, механических методов, диффузионным насыщением, химико-термической обработкой. Накопленный к настоящему времени обширный экспериментальный и теоретический материал в области изучения служебных свойств металлических слоистых композитов из сочетаний материалов, способных в результате протекания реактивной диффузии образовывать между собой при высокотемпературных нагревах устойчивые химические соединения – интерметаллиды, с одной стороны, и возможность получения композитов из практически любого сочетания металлов и сплавов при реализации их равнопрочного соединения с помощью высокопроизводительного процесса сварки взрывом, – с другой, сделали возможным еще один принципиально новый способ упрочнения поверхностных слоев металлических заготовок.
Целью настоящей работы явилось создание новой технологии модифицирования поверхностей металлических деталей и узлов с формированием на них слоев, упрочненных интерметаллидными фазами.
В результате проведенных исследований разработана и апробирована принципиально новая методика формирования упрочняющих слоев, содержащих интерметаллидные фазы, заключающаяся в нанесении с помощью сварки взрывом на поверхность упрочняемой детали по крайней мере двух тонких слоев металлов, склонных к образованию между собой интерметаллидных фаз, с последующим диффузионным отжигом полученного композита при температуре, превышающей температуру легкоплавкой эвтектики этой пары металлов, что значительно интенсифицирует протекание реактивной диффузии между ними с образованием, в конечном итоге, покрытия с высокой твердостью толщиной, лимитированной суммарной толщиной нанесенных на поверхность упрочняемой детали металлических слоев. На основе детального изучения кинетики образования и роста сплошных интерметаллидосодержащих слоев в композициях сталь (основа) + медь + титан и сталь (основа) + медь + никель, а также исследования их структуры и фазового состава получены количественные зависимости, связывающие исходное соотношение толщин слоев в композите, температурно-временные условия его термической обработки с распределением микротвердости и интерметаллидных фаз по глубине сформированного нового слоя, что позволило определить пути целенаправленного управления конечными свойствами получаемого покрытия. Испытания полученных медно-титановых и медно-никелевых покрытий, содержащих интерметаллидные фазы TinCum и NinCum, по стандартным методикам на абразивный износ и трение твердого контртела показали существенный рост износостойкости (в 2,5-3 раза) по сравнению с эталоном (закаленная сталь 40). При этом полученные покрытия не подвержены термическому разупрочнению при длительных эксплуатациях при повышенных температурах.
Разработанный на основе проведенных исследований технологический процесс впервые позволил получать твердые износостойкие интерметаллидосодержащие покрытия толщиной от долей до нескольких миллиметров с обеспечением высокой прочности их соединения с деталью, что позволяет успешно их использовать в тяжелонагруженных узлах трения машин и механизмов различного назначения, обеспечиваю существенное увеличение их срока эксплуатации.
Шифр гранта Т00-6.2-1393
Публикации
1. Кузьмин С.В., Лысак В.И., Крашенинников С.В. и др. Упрочнение поверхностей металлических деталей путем диффузионной интерметаллизации // Слоистые композиционные материалы-2001: Тезисы докладов международной конференции / Волгоград, 2001.- С. 40-43.
2. Крашенинников С.В., Кузьмин С.В., Лысак В.И. и др. Фазовый состав и свойства диффузионной зоны, образующейся на границе титан-медь // Слоистые композиционные материалы-2001: Тезисы докладов международной конференции / Волгоград, 2001.- С. 236-237.
3. Крашенинников С.В., Кузьмин С.В., Лысак В.И. и др. Исследование влияния режимов термообработки на структуру, фазовый состав и свойства интерметаллидосодержащих покрытий // Труды международной научно-технической конференции "Композиты в народное хозяйство России" (Композит -02) / Барнаул, 2002.- С. 96-98.
4. Крашенинников С.В., Кузьмин С.В., Лысак В.И. и др. Исследование структуры и свойств упрочняющих интерметаллидосодержащих слоев на стальных заготовках // Современные материалы и технологии - 2002. Сборник статей Международной научно-технической конференции / Пенза, 2002. - С. 90-92.
5. Крашенинников С.В., Кузьмин С.В., Лысак В.И. Исследование процессов формирования покрытий методом диффузионной интерметаллизации // Сварка взрывом и свойства сварных соединений: Межвузовский сборник научных трудов / ВолгГТУ. Волгоград, 2002. - С.102-111.
6. Решение о выдаче патента от 16.09.2002 г. по заявке № 2001123820/02 Крашенинников С.В., Кузьмин С.В., Лысак В.И., Долгий Ю.Г. Способ получения износостойкого покрытия на поверхности стальных деталей.
РАЗРАБОТКА МЕТОДА УПРОЧНЯЮЩЕГО СПЕКАНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ИМПУЛЬСНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ В ПРОЦЕССЕ ФОРМОВАНИЯ НА КУЗНЕЧО-ШТАМПОВОЧНОМ ОБОРУДОВАНИИ
Руководитель НИР: Ступников В.П.
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Одним из важнейших путей решения задач в машиностроении является обеспечение уже на этапе проектирования максимальной эффективности, и даже оптимальности технологических процессов путем наиболее полного и целенаправленного использования оборудования и ресурсов. Развитие машиностроения также требует широкого внедрения принципиально новых технологий. К числу перспективных методов, внедрение которых может значительно усовершенствовать технологию обработки заготовок, относится обработка заготовок давлением импульсных магнитных полей. Этот метод позволяет проводить штамповку, используя сильное импульсное магнитное поле как средство создания технологического давления на заготовку. Создаваемые давления и наведенные в заготовке токи, помимо пластического формоизменения, изменяют комплекс эксплутационных характеристик полученной детали.
Достижение высокой плотности и прочности формованных заготовок возможно при наличии достоверных методик проведения техпроцесса. Технологический процесс включает в себя формование и спекание порошковой заготовки. Формование осуществляется с применением разрабатываемых приемов, позволяющих провести последующее кратковременное спекание в магнитно-импульсном поле или путем электроконтактного нагрева., а также оснастки для проведения спекания указанными способами.
Полученные результаты позволяют изготавливать из порошковых сталей машиностроительные детали с комплексом механических характеристик, сочетающим высокие прочность и ударную вязкость. Использование магнитного импульсного поля при формовании порошковых металлов приводит к снижению технологических давлений, увеличению плотности и увеличению прочностных характеристик получаемой детали. В тоже время, выделяемое тепло в заготовке, от наведенного электрического тока, используется для спекания отдельных частиц порошка.
Результаты заключаются в установлении возможности и определении на данном этапе лишь диапазона параметров магнитно-импульсных установок для осуществления промежуточного спекания порошковых заготовок. Наличие промежуточного спекания позволяет осуществить прессование заготовок с плотностью выше 96% от теоретической из высоколегированной порошковой шихты на железной основе. Без промежуточного спекания до настоящего времени удавалось импульсными токами изготавливать из высоколегированных порошковых композиций заготовки с плотностью менее 90%. Высокая плотность спрессованных заготовок позволяет эффективно реализовывать процессы легирования материала – основы при последующей термической обработке. Научные и технологические исследования и результаты работ этого направления позволяют проводить технологическую операцию формования одновременно со спеканием, что дает возможность исключить промежуточную операцию спекания в вакуумной печи. В конечном итоге увеличивается прочность заготовок, повышается выход годного при формовании порошковых заготовок и увеличивается эффективность технологического процесса.
Шифр гранта Т00-6.2-686
Публикации
1. Дмитриев А.М., Ступников В.П. Повышение плотности порошковых заготовок при формовании на прессах.//"Кузнечно-штамповочное производство",2001, №1, 0,6п.л.
Подраздел 6.3. Технология машиностроения; резание материалов; измерение, испытание, контроль и управление качеством
РАЗРАБОТКА НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТОИМОСТНОГО АНАЛИЗА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КОНТРОЛЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН.
Руководитель НИР: Горленко О.А.
Брянский ГТУ
Важную роль в обеспечении качества продукции на всех этапах ее жизненного цикла играет технический контроль, от степени совершенства технического оснащения и организации которого во многом и эффективность самого производства. Процесс технического контроля, как известно, требует экономических и трудовых затрат. В настоящее время трудоемкость измерений и контроля на промышленных предприятиях составляет примерно 10-15% трудоемкости всего производства, а затраты на контрольные операции составляют до 5% от себестоимости продукции.
Задачей исследования является разработка научно-методического обеспечения процесса технического контроля с целью минимизации затрат на проведение контрольных операций на основе применения процессного подхода в соответствии со стандартами ИСО серии 9000 версии 2000 года.
Затраты на качество процесса технического контроля, как известно (в соответствии с Британским стандартом BS 6143:1992) – это сумма затрат на соответствие и затраты вследствие несоответствия. Анализ таких затрат в системе менеджмента качества необходим для:
Оценки влияния качества процесса технического контроля на конечный результат производственно-хозяйственной деятельности предприятия.
- Усиления контроля за рациональным использованием ресурсов, расходуемых на обеспечение функционирование процесса технического контроля.
Определение затрат на процесс технического контроля базируется на действующей бухгалтерской отчетности предприятия и базах данных затрат на продукцию, группируемых на бухгалтерских счетах. Процесс определения этих затрат должен быть предварительно выделен, описан и поименован. Должны быть также идентифицированы входные и выходные потоки, ресурсы и управляющие воздействия, назначен владелец процесса контроля(лицо, ответственное за его функционирование).
Затраты на соответствие процесса технического контроля складываются из трех групп затрат: а) затраты на нормальное функционирование процесса технического контроля;
б) предупредительные затраты; в) затраты на контроль. Затраты на несоответствие процесса технического контроля складываются из следующих двух составляющих: а) затраты из-за ошибки контроля первого рода (годную продукцию бракуют); б) затраты из-за ошибки контроля второго рода (негодную продукцию признают годной).
Для определения затрат на несоответствие необходимо в частности решить две задачи. Первая задача заключается в определении закона распределения погрешности средств контроля. Вторая задача – это определение закона распределения допусков изделий в зависимости от квалитета точности изготовления. Знание этих распределений позволит определить вероятность проявления ошибок контроля первого и второго родов.
Для совершенствования процесса технического контроля необходимо разработать метод оценки значимости влияния отдельной контрольной операции на затраты, связанные с проявлением брака. Для решения данной задачи предполагается использовать стоимостной анализ. Применительно к процессу технического контроля стоимостной анализ позволит минимизировать его себестоимость при сохранении рентабельности производства и повышение качества процесса технического контроля.
Разработанная на основе исследования методика совершенствования процесса технического контроля позволит снизить себестоимость операций технического контроля при повышении качества выпускаемой продукции.
Шифр гранта Т00-6.3-0156.
МЕХАНИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДОВАНИЯ В ПРОЦЕССАХ ОБРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН КАК ОСНОВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ.
Руководитель НИР: Смелянский В.М.
МГТУ “МАМИ”.
Целью работы является повышение эффективности технологического обеспечения качества и долговечности деталей машин. Эта цель достигается на основе исследования и описания фундаментальных закономерностей технологического наследования состояния поверхностного слоя деталей на этапах изготовления и эксплуатации методами механики деформируемых сред.
Новизна научного подхода заключается в том, что формирование и трансформация поверхностного слоя деталей на стадиях жизненного цикла от заготовки до разрушения при эксплуатации рассматривается как процесс непрерывного накоплении деформаций, исчерпании запаса пластичности металла и трансформации остаточных напряжений.
Предложена новая концепция сквозного описания состояния поверхностного слоя детали на стадиях механической обработки резанием, упрочнения поверхностным пластическим деформированием и эксплуатационного нагружения, основанная на представлениях о программах и истории нагружения.
В рамках концепции разработаны:
- программы нагружения поверхностного слоя деталей на стадиях механической обработки и циклического нагружения при эксплуатации, представленные в виде единых по структуре экспоненциальных моделей, учитывающих наследственный характер передачи свойств поверхностного слоя с предыдущих стадий нагружения на последующие;
- функциональная модель механики технологического наследования, описывающая основные требования и отображающая структуру информационной системы, производимые действия и связи между этими действиями;
- модель накопления деформаций и исчерпания запаса пластичности металлом поверхностного слоя на стадии циклической долговечности и наследственные закономерности влияния состояния поверхностного слоя на зарождение и развитие усталостной трещины на стадии циклической трещиностойкости;
- методы экспериментального и численного исследования программ нагружения поверхностного слоя детали по стадиям и этапам нагружения с учетом сложной немонотонной истории нагружения.
Исследованы базовые закономерности формирования очагов деформации при резании и ППД, показывающие, что напряженно-деформированного состояние и профиль очага деформации зависят от режимов обработки, с одной стороны, и влияют на состояние поверхностного слоя и долговечность деталей машин, с другой. Эти закономерности являются основой преобразования механических представлений о формировании поверхностного слоя в технологические и используются при проектировании упрочнения ППД.
Совокупность концептуальных положений, структурных, математических и статистических моделей, а также результаты экспериментальных исследований представляют собой новые научные положения теории технологического наследования, существенно расширяющие знания в области технологического обеспечения качества и долговечности деталей машин. Эти научные положения легли в основу разработанного авторами метода проектирования ресурсосберегающих процессов упрочнения деталей машин и создания базы данных технологического наследования со встроенным пакетом программ для ЭВМ.
По результатам работы в 2001 - 2002 г.г. издана одна монография, опубликованы 12 статей, защищена докторская диссертация, получено 6 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ в Российском агентстве по патентам и товарным знакам.
Шифр гранта Т00-6.3-284
Публикации
1. Программы нагружения поверхностного слоя деталей на стадиях жизненного цикла. Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. Сборник научных трудов в двух частях. Часть 1. Тула, ТГУ, 2001, с. 67-75
2. Трансформация программ нагружения и исчерпания ресурса пластичности поверхностного слоя деталей на стадиях механической обработки . Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. Сборник научных трудов в двух частях. Часть 2. Тула, ТГУ, 2001, с. 62-69.
Подраздел 6.4. Литейное производство, кузнечно-штамповочное производство; производство деталей из порошковых материалов; металлургическое машиностроение
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА МЯГКОГО ОБЖАТИЯ ФОРМИРУЮЩЕГОСЯ СЛИТКА В УСТАНОВКАХ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ
Руководитель НИР: Данилов В.Л.
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
В настоящее время применительно к процессу непрерывной разливки стали проявляется большой интерес к системам, позволяющим обеспечить так называемое “мягкое обжатие” не полностью затвердевших слябовых заготовок. Такое деформирование непрерывных слитков приводит к снижению осевой пористости слябов и позволяет уменьшить влияние макросегрегации, что особенно важно для сталей, чувствительных к качеству осевой зоны. Принцип этой технологии базируется на уплотнении слитка в процессе окончательного затвердевания на величину, эквивалентную усадке металла при переходе из жидкой в твердую фазу. Исследования данного метода подтверждают уменьшение макросегрегации не только на поверхности, но и в центральной области слитка.
Положение зоны мягкого обжатия определяется такими параметрами процесса как толщина сляба, скорость разливки, а также химическим составом металла. Наиболее рационально начинать обжатие в области, где доля жидкой фазы в гетерогенном расплаве уменьшается и составляет около 70%. Экспериментальные исследования показывают, что мягкое обжатие должно заканчиваться в области между долей жидкой фазы 30% и полным затвердеванием.
Чтобы рассчитать режим мягкого обжатия, необходимо в зависимости от режима разливки конкретной марки стали иметь информацию о температурном поле слитка в районе модуля мягкого обжатия, фазовом составе двухфазной зоны и усадочных процессах в центре слитка, предельных параметрах обжатия с точки зрения опасности трещинообразования.
Расчетная методика для определения поля температур в затвердевающем слитке основана на равновесной модели затвердевающего сплава и использовании интегральной подстановки в форме энтальпии.
Результаты анализа указывают на то, что пористость возрастает при увеличении скорости непрерывного литья, температурного интервала кристаллизации расплава и при уменьшении интенсивности отвода тепла в зоне вторичного охлаждения, поскольку при этом происходит рост протяженности двухфазной зоны, и растягивающие усилия, действующие на металл, становятся более значительными. После такого анализа становится возможным вычислить уровень объемной деформации в центральной зоне слитка, необходимый для компенсации усадочных процессов в двухфазной зоне. Именно этот уровень и определяет интенсивность мсягкого обжатия слитка.
Напряженно-деформированное состояние слитка рассчитывается на основе модели неоднородного нелинейно-вязкого тела минимизацией функционала удельной мощности деформации, рассеиваемой при ползучести. Возможность образования кристаллизационных трещин в литой структуре получаемого металла оценивается на основе модели разрушения материала и движения фронта разрушения, которая сформулирована в рамках концепции накопления рассеянных повреждений при ползучести.
Прогресс в области непрерывного литья заготовок связан в первую очередь с созданием машин, позволяющих разливать широкую гамму металлов и сплавов с повышенными скоростями при обеспечении высокого качества внутренней структуры и отсутствия дефектов в виде внутренних и поверхностных трещин, пористости, химической неоднородности. Построена математическую модель связанных процессов тепломассообмена, кристаллизации и вязкого деформирования с учетом накопления повреждений, позволяющая определять наиболее рациональные параметры как конструкции машины, так и технологического процесса непрерывного литья стали.
Шифр гранта Т00-6.4-0487
Публикации
1. Данилов В.Л. Анализ процессов деформации и разрушения кристаллизую-щихся металлов и сплавов в процессах непрерывного литья // Тезисы докладов VII научной сессии <Проблемы и перспективы развития оборудования заготовительных производств>. Научный совет РАН по проблемам машиноведения и технологических процессов. - М.: Изд-во МГТУ, 2001.
ТЕОРИЯ И ПРОЦЕССЫ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
И УЗЛОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ
Руководитель НИР: Чудин В.Н.
Московский институт коммунального хозяйства и строительства
Корпусные конструкции летательных аппаратов (обшивки корпусов, крылья, топливные баки, трубопроводная арматура) изготовляют многопереходной штамповкой из листовых высокопрочных титановых (ВТ14, ВТ20) и алюминиевых Амг6, 1201) сплавов. Недоштамповка и пружинение металла вызывают необходимость в проведении большого объема доделочных работ и приводят к снижению качества изделий. Проблему можно решить введением операций изгиба с растяжением, которые могут быть основными формообразующими или правочными. Реализация необходимых деформаций, геометрическая точность изделий, снижение технологических сил обеспечиваются нагревом заготовки. В связи с проявлением вязкости деформируемых материалов необходима регламентация процесса по времени (скорости). Кроме того, на величины деформаций, точность геометрии и, в конечном итоге, на качество изделий существенно влияют анизотропия механических свойств листовых заготовок и ползучесть. В результате при изгибе с растяжением могут развиваться процессы накопления несплошности материала в виде скрытых микро- и макро повреждений, а также возможна локальная неустойчивость деформаций.
В результате работы получены зависимости для расчета технологических режимов процесса гибки с растяжением элементов корпусов летательных аппаратов. Расчетный аппарат использован при проектировании технологических процессов формообразования и правки элементов корпусных узлов, патрубков и емкостей.
Аналогичная проблема решена для вытяжки корпусных изделий коробчатых форм, к которым в частности относятся панели летательных аппаратов.
Процессы горячей осадки и соединения деталей применяются в технологии обработки давлением при изготовлении многоэлементных корпусных узлов ряда изделий, фланцев на трубопроводной арматуре, узлов энергетических агрегатов. В авиа космическом машиностроении для этих узлов используют высокопрочные титановые и алюминиевые сплавы, стали. Эффективным процессом соединения элементов таких конструкций является диффузионная сварка давлением, обеспечивающая соединение давлением осадки без плавления, что сохраняет прочность и герметичность материала в зонах контакта. В процессе осадки деформируемый материал проявляет вязкость, а напряжение зависит как от накапливаемой деформации, так и от скорости ее роста. Вязкость существенно влияет на силовой режим обработки, развитие локальной несплошности материала и, следовательно, на качество изделий. Решение задачи оценки этих факторов в рамках кинематики течения позволяет назначать режимы операций.
При анализе операций использованы уравнения состояния при ползучести и верхнеграничный (вариационный) метод решения. В результате анализа получены расчетные соотношения для оценки силовых, деформационных параметров и повреждаемости материала для процессов осадки и соединения элементов конструкций.
Осуществленное развитие расчетного аппарата, применяемого при проектировании рассмотренных операций, позволило существенно сократить этап технологической подготовки производства, оптимизировать производственные процессы как по коэффициенту использования материала, так и по трудо- и энергозатратам. Обоснованный выбор параметров технологических процессов с использованием разработанного математического аппарата позволил обеспечить наилучшее качество производимых изделий, что является первостепенным как для авиации, космической техники, так и для коммунального хозяйства Столицы.
Шифр гранта Т00-6.4-0347
Публикации
1. Механика процессов изотермического формоизменения элементов многослойных конструкций // С.П.Яковлев, В.Н.Чудин, С.С.Яковлев, Я.А.Соболев. Тула. ТулГУ, 2001, 216 с.
2. Чудин В.Н. Изгиб с растяжением элементов корпусных конструкций. ж.Кузнечно-штамповочное производство, №6, 2001, с.3-7.
3. Чудин В.Н. Деформирование оболочек газом при ползучести. ж.Вестник машиностроения, №7, 2001, с.53-57.
4. Чудин В.Н. Растяжение полосы из анизотропного релаксирующего матрериала. Сб. научных трудов по материалам международной конференции "Высшее профессиональное заочное образование на железнодорожном транспорте". 2001, с.275-278.
5. Чудин В.Н. К оценкам предельных условий вытяжки коробчатых форм. Сб. Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением. Тула. ТулГУ, 2001, с.146-152
6. Чудин В.Н., Яковлев С.С. Деформирование высокопрочных сплавов в состоянии ползучести. ж.Технология машиностроения, №5, с.3-6.
7. Чудин В.Н., Соболев А.Я. К расчету технологических параметров в процессах набора утолщений. ж.Кузнечно-штамповочное производство, №4, 2001, с.12-14.
8. Чудин В.Н. Формообразование корпусных оболочек вафельного типа. ж.Вестник машиностроения, №5, 2002, с.63-66.
9. Чудин В.Н. Вытяжка листовых изделий коробчатых форм. ж.Кузнечно-штамповочное производство, №6, 2002, с.3-8.
Подраздел 6.5. Электрофизико-химическая обработка; отделка поверхностей и нанесение покрытий
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
Руководитель НИР: Волгин В.М.
Тульский ГУ
Импульсное электроосаждение металлов является эффективным методом формирования защитных покрытий и металлических пленок и находит широкое применение в производстве. По сравнению со стационарными режимами, импульсное электроосаждение обеспечивает большие возможности управления структурой и равномерностью толщины осадка, физико-механическими свойствами осажденного слоя. Однако недостаточная изученность закономерностей импульсного электроосаждения затрудняет определение оптимальных режимов обработки и приводит к необходимости проведения дополнительных экспериментальных исследований, поэтому актуальным является создание методов автоматизированного проектирования операций импульсного электроосаждения металлов, базирующихся на адекватных математических моделях процесса и эффективных методах численного анализа.
В результате выполнения НИР разработана математическая модель нестационарных процессов переноса при импульсном электроосаждении металлов, учитывающая взаимосвязь процессов переноса массы (заряда), импульса и энергии в дву- и трехмерных областях сложной и изменяющейся с течением времени формы. При построении модели использованы фундаментальные законы сохранения массы, импульса и энергии компонентов электролита и растворителя, основные положения теории разбавленных электролитов, допущение об электронейтральности среды, основные механизмы переноса компонентов электролита - диффузия, миграция, конвекция, гомогенные химические и гетерогенные электрохимические реакции. Комплексный характер математической модели обеспечивает повышение достоверности результатов моделирования и гарантирует возможность обоснованного выбора рациональных режимов импульсного электроосаждения металла.
Разработаны согласованные схемы дискретизации уравнений переноса при импульсном электроосаждении металла. Предложенные схемы метода конечных разностей и метода конечных объемов, реализованные на нерегулярных сетках, обеспечивают расщепление системы взаимосвязанных уравнений переноса массы (заряда) импульса, энергии, компонентов электролита, что существенно снижает затраты вычислительных ресурсов. В отличие от известных, предлагаемые методы анализа обеспечивают физически-обоснованное расщепление исходной системы уравнений ионного переноса компонентов электролита, в результате чего становится возможным определить распределение потенциала электрического поля из условия электронейтральности, а затем последовательно и не зависимо друг от друга произвести расчет распределения концентраций компонентов электролита. Полученные результаты обладают мировой новизной, зарубежные аналоги отсутствуют.
Разработана методика автоматизированного проектирования процессов импульсного электроосаждения металлов, обеспечивающая выбор рациональных режимов обработки – частоты и скважности импульсов, амплитудного и среднего значения плотности тока, состава электролита, позволяющих получить качественные электролитические осадки. Методика использована для определения рациональных режимов обработки при катодном электроформовании изделий с микрорельефом.
Результаты исследований опубликованы в 22 статьях и тезисов докладов. Приняты для публикации статья в журнале "Journal of Electroanalytical Chemistry” (JEC 9948) и доклады на международную конференцию “Electromachining-2003”. (Польша).
Результаты НИР использованы в учебном процессе при изучении дисциплин: “Теория физико-химических методов обработки”, “Технология и оборудование высокоэффективных процессов обработки”, “Математическое моделирование физических процессов”; при подготовке магистерских диссертаций; подготовлено 3 учебных пособия, а также монография “Трехмерное электрохимическое формообразование”.
Шифр гранта Т00-6.5-0672
Публикации
1. Волгин В.М., Любимов В.В. Расчет распределения плотности тока при неэквидистантном трехмерном электрохимическом формообразовании // Труды III Международного научно-практического семинара "Современные электрохимические технологии в машиностроении". Иваново. 2001. С. 19 - 20.
2. Волгин В.М., Волгина О.В. Моделирование нестационарного ионного переноса при электрохимическом формообразовании // Труды III Международного научно-практического семинара "Современные электрохимические технологии в машиностроении". Иваново. 2001. С. 18 - 19.
3. Волгин В.М., Любимов В.В. Математическое моделирование трехмерного электрохимического формообразования // Всероссийская научно-практическая конференция "Перспективные технологии физико-химической размерной обработки и формирования эксплуатационных свойств металлов и сплавов". Уфа. 2001.
4. Любимов В.В., Волгин В.М., Гнидина И.В. Выбор параметров электролита и импульсного тока при электролитическом формовании микрорельефов // Всероссийская научно-практическая конференция "Перспективные технологии физико-химической размерной обработки и формирования эксплуатационных свойств металлов и сплавов". Уфа. 2001.
5. Волгин В.М., Любимов В.В., Волгина О.В. Математическое моделирование ионного переноса при электрохимическом формообразовании // Труды Международной НТК "Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения "Технология - 2001". Орел. 2001. С. 144 - 146.
6. Волгин В.М., Шавелкин А.Д. Методика автоматизированного проектирования операций электрохимического формообразования // Сборник трудов НТК Современная электротехнология в промышленности центра России. Тула. 2001. С. 3 - 15.
7. Волгин В.М., Волгина О.В. Экономичный метод расчета стационарных процессов переноса в электрохимических системах // Сборник трудов НТК Современная электротехнология в промышленности центра России. Тула. 2001. С. 16 - 32.
8. Гнидина И.В., Волгин В.М. Методика выбора параметров электролитического формования при создании изделий с микрорельефом // Сборник трудов НТК Современная электротехнология в промышленности центра России. Тула. 2001. С. 47 - 55.
9. Волгин В.М., Волгина О.В. Моделирование ионного переноса в условиях естественной конвекции методом конечных разностей // Известия Тульского государственного университета. Серия: Электрофизикохимические воздействия на материалы. Тула. 2001. С. 92 - 105.
10. Волгин В.М., Волгина О.В. Моделирование нестационарного ионного переноса в электрохимических системах с нарушенной электронейтральностью явным методом конечных объемов // Известия Тульского государственного университета. Серия: Электрофизикохимические воздействия на материалы. Тула. 2001. С. 106 - 117.
11. Волгин В.М., Волгина О.В. Метод конечных объемов для расчета ионного переноса в трехмерных областях // Известия Тульского государственного университета. Серия: Электрофизикохимические воздействия на материалы. Тула. 2001. С. 118 - 128.
12. Волгин В. М., Любимов В.В., Гнидина И.В. Моделирование ионного переноса при импульсном электроосаждении металлов // Сборник материалов Всероссийской НТК "Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии" Ч.2. Липецк. 2002. С. 98 - 101.
13. Волгин В.М. Аналитическое решение задачи о предельном токе в условиях естественной конвекции электролита // Сборник трудов НТК "Современная электротехнология в промышленности центра России". Тула. 2002. С. 3 - 10.
14. Волгин В.М., Григин А.П., Давыдов А.Д. Численное решение задачи о предельном токе электроосаждения меди в условиях естественной конвекции электролита // Сборник трудов НТК "Современная электротехнология в промышленности центра России". Тула. 2002. С. 11 - 23.
15. Волгин В.М. Моделирование ионного переноса с учетом миграции в условиях естественной конвекции электролита // Сборник трудов НТК "Современная электротехнология в промышленности центра России". Тула. 2002. С. 23 -32.
16. Волгин В.М., Смирнова Т.А. Моделирование ионного переноса в условиях вынужденной конвекции электролита // Сборник трудов НТК "Современная электротехнология в промышленности центра России". Тула. 2002. С. 33 - 44.
17. Волгин В.М. Аналитическое решение задачи о предельном токе в условиях естественной конвекции электролита с учетом миграции // Известия Тульского государственного университета. Серия: Электрофизикохимические воздействия на материалы Тула. 2002. С. 3 - 14.
18. Волгин В.М., Волгина О.В., Давыдов А.Д. Моделирование ионного переноса с учетом миграции в условиях естественной конвекции электролита для окислительно-восстановительных электродных процессов // Известия Тульского государственного университета. Серия: Электрофизикохимические воздействия на материалы. Тула. 2002. С. 15 - 22.
19. Волгина О.В., Волгин В.М., Смирнова Т.А. Моделирование ионного переноса в условиях вынужденной конвекции электролита при использовании компактных конечно-разностные схем высокого порядка точности // Известия Тульского государственного университета. Серия: Электрофизикохимические воздействия на материалы. Тула. 2002. С. 23 - 31.
20. Волгин В.М., Любимов В.В. Трехмерное электрохимическое формообразование. Тула. 2002. 339 с. / Электронное издание. Зарегистрировано в депозитарии электронных изданий 06.12.02 г., № 03202001184.
21. Волгин В.М., Любимов В.В., Гнидина И.В. Математическое моделирование импульсного электрохимического осаждения металлов // Оборонная техника. 2002. (Представлено к печати).
22. Volgin V. M., Davydov A.D. Effect of a migration on a limiting current density of a metal electrodeposition at the forced and natural convection of an electrolyte // Proc. of 7-th Conference EM'03 "Electromachining". Rydzyna (Poland). 2003. (Представлено к печати).
СОЗДАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ПРОЦЕССА НАНЕСЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН С ЗАТРУДНЕННЫМ ДОСТУПОМ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА
Руководитель НИР: Любимов В.В.
Тульский государственный университет
Работа посвящена вопросам разработки научных основ и рекомендаций по нанесению многослойных ионно-плазменных покрытий (ИПП) на труднодоступные для плазменного потока при традиционных схемах обработки поверхности деталей машин, которые базируются на предложенной методике формирования многослойных ИПП на поверхностях с затрудненным доступом. Многослойная структура покрытия предполагает использование нескольких расположенных в определенном порядке друг относительно друга функциональных слоев (адгезионные, износостойкие, термостойкие, коррозионностойкие, приработочные) суммарной толщиной до 10…14 мкм. Слои многослойного ИПП могут состоять из металлов и соединений типа нитридов, карбидов, оксидов металлов IV-VI групп. Методика позволяет рекомендовать структуру, материал слоев ИПП, схему осаждения и технологические параметры осаждения слоев, обеспечивающие напряжения в них и силы сдвига на границах слоев не выше критических для принятых материалов в зависимости от требуемых эксплуатационных характеристик слоев ИПП.
Проведен анализ возможных схем получения многослойных ИПП на труднодоступных для плазменного потока при традиционных схемах обработки поверхностях деталей машин, в том числе схем с использованием явления испарения хромового порошкового катода.
Разработаны варианты возможных схем нанесения многослойных ИПП на поверхности отверстий деталей машин. Одна из схем предполагает формирование покрытий без существенного изменения геометрических параметров катодов. При использовании этой схемы плазменному потоку придается преобладающее направление движения внутри сквозного отверстия деталей за счет уменьшения расстояния между катодом и стенкой камеры (до 1,5 раз в зависимости от глубины отверстия, на поверхности которого формируется покрытие).
При использовании второй схемы формирования покрытий на поверхностях сквозных отверстий деталей машин используется специальный сборный водоохлаждаемый катод и спиральной формы анод, внутри которого циркулирует охлаждающая жидкость. Катод имеет переменное сечение, диаметр которого определяется диаметром отверстия, на поверхности которого формируется ИПП. Заготовка находится под отрицательным смещающим потенциалом. Достоинством этой схемы по сравнению с первой является более высокая равномерность формирования покрытий на поверхности отверстий, недостатком - сложность конструкции, более значительный износ катода вследствие меньшего его диаметра по сравнению со стандартным. При уменьшении диаметра обрабатываемых отверстий при использовании второй схемы необходимо изменять размеры анода и катода для обеспечения фиксированных зазоров в системе "заготовка-анод-катод", что трудно с технической точки зрения.
Для оценки температуры формирования и расчета распределения толщины ИПП по длине внутреннего отверстия в зависимости от технологических параметров осаждения для первой схемы создана имитационная модель, в основу которой положен метод Монте-Карло.
Перспективы развития работы – дальнейшая разработка и совершенствование схем осаждения ИПП на поверхности деталей машин с затрудненным доступом для плазменного потока при минимальных геометрических параметрах.
По результатам НИР создана экспериментальная оснастка, опубликовано 6 печатных работ. Работа обсуждалась на международных конференциях: дистанционной НТК (г. Орел, 2001 г.), НТК (г. Тула, 2002 г.).