НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Влияние переменных нагрузок на структуру и свойства электролитических покрытий

Венедиктов А.Н., Анкудинова А.С., ТюмГНГУ, г. Тюмень

На установке для испытаний на усталость образцов с покрытиями, разработанной и изготовленной в лаборатории кафедры «Материаловедение и ТКМ», проведены исследования структуры и свойств электролитических покрытий при переменных нагрузках.

Объектом исследования были электролитические покрытия кадмием и никелем. Образец представлял собой пластинку с размерами рабочей поверхности 10×30 мм, толщиной 0,5 мм, с электролитическим покрытием на одной стороне. Покрытия получали из сульфатных электролитов при режимах осаждения для никеля - температура 40 °С, плотность тока 10 А/дм2, рН=5; для кадмия - температура 30 °С, плотность тока 3 А/дм2, рН=4. Подложку изготавливали из стали Ст3, не рабочие поверхности которой для защиты от осаждения покрывали лаком. Толщина покрытия составила около 10 мкм. К образцам прикладывали растягивающую переменную нагрузку с максимальным значением создаваемых напряжений 110 МПа и амплитудой – 15 и 25 МПа, что соответствует области упругой деформации для материала подложки. Количество циклов испытаний составляла для всех образцов 1 миллион. После проведенных испытаний на каждом образце измеряли микротвердость, проводили рентгеноструктурный анализ, делали микрофотографии поверхности образца и сечения в продольном и поперечном направлении от прилагаемой нагрузки.

Исследование поверхности и структуры никелевого покрытия после испытания показало заметные изменения по сравнению с исходным образцом. В покрытии после приложения амплитуды напряжений 15 МПа образовалась сетка из трещин, причем трещины расположенные перпендикулярно направлению приложения силы имели больший размер. После приложения амплитуды колебаний 25 МПа на поверхности образца наблюдается эпитаксия, поверхность покрытия начинает повторять форму микрорельефа подложки. Приложение переменной нагрузки приводит к увеличению твердости и внутренних напряжений, что вероятно связано с увеличением дефектности покрытия.

Проведенные испытания показали изменение структуры и свойств кадмиевых и никелевых покрытий в процессе приложения переменной нагрузки, по которым можно прогнозировать срок службы покрытия и начало его разрушения.

Научный руководитель: Венедиктов Н.Л., к.т.н., доцент.

111

Термическая обработка сварных соединений металлических конструкций из углеродистых низколегированных сталей

Гуменникова А.И., ТюмГНГУ, г. Тюмень

Надежность эксплуатации сложных инженерных конструкций зависит не только от их правильного конструирования, но и от соответствия применяемых при строительстве материалов целям обеспечения необходимой долговечности сооружения.

Руководящие документы, определяющие организацию и технологию производства сварочных работ при сооружении металлических конструкций промышленных объектов, а также объем, порядок контроля и нормы оценки качества сварных соединений, предполагают использование углеродистых и низколегированных сталей, применяемых без дополнительной термической обработки. В некоторых случаях термическая обработка низколегированных сталей позволяет значительно повысить их прочность, понизить порог хладноломкости и склонность к старению, что в свою очередь дает возможность сэкономить до 50 % металла.

Относящаяся к группе повышенной прочности сталь 10ХСНД применяется для изготовления сварных металлических конструкций, в частности мостовых, из листового, универсального проката и гнутого профиля, работающих в особо тяжелых условиях и подвергающихся непосредственному воздействию динамических и вибрационных нагрузок. Сварка сталей данной группы производится электродами для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с временным сопротивлением разрыву до 490 МПа, когда к металлу швов предъявляют повышенные требования по пластичности и ударной вязкости.

С целью выяснения возможности улучшения механических свойств сварных соединений было решено подвергнуть образцы сварных соединений из стали 10ХСНД различным видам термической обработки: нормализации, отжигу, закалке и закалке с высоким отпуском и сравнить полученные характеристики с металлом в состоянии поставки. Все образцы сваривались электродом ЗРС-1 с рутиловым покрытием и проволокой марки

08А.

Определение твердости основного металла и металла шва показало, что почти после всех видов термической обработки значения твердости металла шва либо снижались либо соответствовали твердости основного металла.

При испытаниях на растяжение все образцы, кроме образца в состоянии поставки, разорвались по сварному соединению, что позволяет сделать вывод о снижении прочности шва в процессе термической обработки по отношению к основному металлу (табл. 1).

112

Таблица 1

Рис. 1. Сравнительная оценка экспериментальных данных со стандартными показателями

При сопоставлении полученных экспериментальных данных по механическим свойствам со стандартными показателями (рис. 1, заштрихованные области для предела прочности и относительного удлинения), можно сделать вывод, что наиболее оптимальной термической обработкой для сварных соединений из сталей 10ХСНД, обеспечивающей наилучший комплекс показателей механических свойств, является нормализация. Кроме этого, данная термообработка проходит в естественных условиях в процессе сварки и не требует применения дополнительного оборудования.

Научный руководитель: Плеханов В.И., к.т.н., доцент.

113

Алгоритм расчета, проектирования и эксплуатации сборных комбинированных инструментов для обработки отверстий

Чернышов М.О., Завьялов Е.С., Фарафонова А.Ю., Каюкова И.А., ТюмГНГУ, г. Тюмень

В современном производстве для совмещения операций или переходов при обработке отверстий применяются всевозможные комбинированные инструменты. Самыми распространенными комбинированными инструментами для обработки отверстий являются цельные ступенчатые сверла, зенкеры и развертки из быстрорежущей стали, либо оснащенные напайными пластинами из инструментальных твердых сплавов (ИТС). Для этих инструментов существует алгоритм расчета и проектирования [1].

Однако самым эффективным способом повышения производительности процесса резания, является использование сборного инструмента с механическим креплением пластин из ИТС, что обеспечивает высокопроизводительную обработку и значительное снижение себестоимости изготовления деталей. Опыт внедрения сборных инструментов с СМП показал преимущества по сравнению с напайным инструментом – это повышение стойкости пластин на 25 – 30%, уменьшение расхода твердого сплава в 2 раза, уменьшение суммарных затрат на изготовление инструмента в 3-4 раза, повышение производительности труда на 20-25% [2].

Основываясь на методологии расчета, проектирования и эксплуатации СМП и сборных инструментов, созданной Артамоновым Е.В. [3], была разработана методика расчета, проектирования и эксплуатации сборных комбинированных инструментов, с пластинами из инструментальных твердых сплавов, для обработки отверстий, которая состоит из четырех этапов: I – исходные данные, II – формирование требований, III – проектирование, IV – эксплуатация.

На первом этапе задаются исходные данные: чертеж детали, вид обработки и инструмента для каждой ступени, обрабатываемый материал, материал режущих пластин для каждого инструмента.

На втором этапе формируются требования: задается коэффициент запаса прочности в зависимости от вида обработки и требуемой вероятности надежности работы инструмента, формируется условие максимальной работоспособности сборного комбинированного инструмента для обработки отверстий, технологические требования по шероховатости и точности обработки поверхности по чертежу детали, определяется припуск, снимаемый каждым инструментом.

На третьем этапе выбираются режимы резания для каждого инструмента в наборе, геометрические параметры инструментов, конструктивные параметры пластин по ГОСТ или ИСО для конкретных условий резания, а также конструктивные параметры инструмента, такие как: расположение режущих пластин, направление отвода стружки и условия ее свободной

114

транспортировки, отвод тепла. Требуемые геометрические параметры инструмента обеспечиваются соответствующим положением пластин в корпусе комбинированного инструмента, назначается число зубьев для каждой ступени. Рассчитываются габаритные размеры всех инструментов, входящих в набор: диаметр и глубину. Выполнить все расчеты по определению конструктивных параметров рабочей и крепежной части инструмента в каждой ступени. Для выбора схем базирования и крепления пластин используется разработанная методика, выполнение требований которой обеспечивает снижение опасных для твердосплавных пластин напряжений растяжения и повышение жесткости и точности их крепления.

Этот этап заканчивается выбором пластин инструментов из стандартных или разработкой новых конструкций режущих пластин. Проверочный расчет СМП на прочность осуществляется с применением программных пакетов, в основу которых заложен метод конечных элементов. При задании граничных условий составляющие силы резания и характеристики механики процесса резания определяются теоретически по методике, разработанной Розенбергом Ю.А. [4].

На четвертом этапе определяются режимы резания пластинами из ИТС, обеспечивающие максимальную работоспособность инструмента по температуре максимальной работоспособности ИТС (ΘМ.Р.), установленные по зависимостям механических характеристик этих материалов по методике, изложенной в работе [3].

Таким образом, создан алгоритм расчета, проектирования и эксплуатации сборных комбинированных инструментов для обработки отверстий, оснащенных пластинами из инструментальных твердых сплавов.

Литература

1.Гречишников В.А., Схиртладзе А.Г., Борискин В.П., Пульбере А.И., Чупина Л.А. – Формаобразующие инструменты машиностроительных производств. Инструменты общего назначения. – Старый Оскол: ООО

«ТНТ», 2005. – 432 с.

2.Артамонов Е.В., Помигалова Е.В., Утешев М.Х. – Расчет и проектирование сменных режущих пластин и сборных инструментов – Тюмень: ТюмГНГУ, 2011. - 152 с.

3.Артамонов Е.В. Прочность и работоспособность сменных твердосплавных пластин сборных режущих инструментов. – Тюмень: ТюмГН-

ГУ, 2003. – 192 с.

4.Розенберг Ю.А. Резание материалов. – Курган: ОАО «Полиграфический комбинат» Зауралье, 2007. – 294 с.

Научный руководитель: Чернышов М.О. – ассистент, кафедра «Станки и инструменты» (СИ), ТюмГНГУ

115

Выбор материалов для применения в коррозионно-активных средах по результатам исследования сорбционно-диффузионных процессов

Кифятова А.Р., Аль Кием С., Шингаркина О.В., Кравцов В.В., УГНТУ, г.Уфа

Сорбционно-диффузионные процессы в полимерах играют определяющую роль при использовании их в качестве защитных покрытий или герметизирующих материалов. Исследования проводили на образцах гравиметрическим методом в соответствии с ГОСТ 12020-72 в 32% HCl и 20% NaOH для температур эксплуатации 20, 40 и 60оС.

Часть образцов подвергались изучению глубины проникания фронта диффундирующей среды. С этой целью применили разновидность индикаторного метода, заключающегося в измерении глубины окрашенного индикатором слоя в поперечных срезах образцов с помощью биологического микроскопа в проходящем свете.

С использованием экспериментальных данных рассчитаны коэффициенты диффузии, сорбции и проницаемости указанных сред в эпоксидную, полиэфирную, фенолоформальдегидную композиции.

Получено, что зависимость значений полученных коэффициентов

где m , l - приращение массы образца и глубины проникания среды через отрезок времени ;

mmax,, lmax – приращение массы образца и глубины проникания среды в состоянии насыщения.

- эмпирический коэффициент.

– продолжительность экспозиции.

Рассчитаны значения энергии активации и предэкспоненциальных множителелей математических зависимостей. позволяющих оценивать параметры переноса при любой рабочей температуре.

Результаты исследования дали возможность определить круг материалов для использования при ремонте технологического оборудования. Полученные данные по кинетике поглощения жидких сред полимерами во всех случаях могут быть описаны экспоненциальными уравнениями. Определены коэффициенты корреляции между гравиметрическими и глубинными показателями процессов переноса.

Научный руководитель: Кравцов В.В., к.т.н., профессор.

116

Инновационное гибкое производство на базе учебного роботизированного технологического комплекса

Кондратьев А.М., Федоров Г.Н.., ТюмГНГУ, г. Тюмень

Современная экономическая обстановка, диктует новые правила, которым должно соответствовать каждое производство, а именно обеспечивать максимальную степень гибкости переналадки. Гибкость обусловлена применением специальных станков, объединѐнных в гибкие производственные участки (ГПУ) системами обеспечения работоспособности.

Первым этапом в автоматизации современного многономенклатурного производства стало появление станков с числовым программным управлением, которые позволяют быстро переходить на обработку других деталей путем смены управляющих программ, оснастки и инструментальных наладок. Замена универсальных металлорежущих станков станками с ЧПУ позволила в 5 раз сократить трудоемкость изготовления деталей. Однако осталось достаточно много ручных операций, связанных с переходом на обработку новых изделий. Сокращение потерь вспомогательного времени и повышение эффективности станков с ЧПУ достигались путем увеличения числа инструментов в магазине станка, оснащением станков автоматическими устройствами подачи заготовок на стол станка и удаления готовой продукции на позицию ожидания. Управление станками с ЧПУ по программе, позволяет снизить затраты на подготовку управляющих программ (УП) и централизовать работу.

В состав УРТК входит ряд станков различного технологического назначения, измерительная машина для контроля качества выпускаемых деталей, а так же учебная гибкая производственная система (УГПС).

По схеме изображенной на рисунке 1, в качестве заготовительного станка, предлагается использовать 3D принтер MaketBot Replicator (1) , который обеспечит необходимую точность получения заготовки. После чего, манипулятором 5, входящим в состав УГПС, производится перемещение заготовки на токарный станок с ЧПУ 2, для последующей токарной обработки. 5-ти осевой манипулятор 6 перемещает заготовку от токарного станка на фрезерный станок с ЧПУ 3, для фрезерной обработки. Манипулятором 5 производится перемещение заготовки от фрезерного станка к измерительной машине 4. В случае если заготовка удовлетворяет предъявляемым требованиям, то заготовка перемещается на склад заготовок, в противном случае заготовка повторяет необходимый технологический этап. В качестве временного хранилища используется поворотный стол 7 УГПС.

117

Рис. 1. Схема расположения оборудования учебного роботизированного технологического комплекса УРТК 1.0:

1 – заготовительный станок; 2 – токарный станок с ЧПУ; 3 – фрезерный станок с ЧПУ; 4 – измерительная машина; 5 – учебная ГПС; 6 – 5-ти осевой манипулятор с ЧПУ; 7 – поворотный стол.

В САПР Solid Works, разработаны 3-х мерные сборочные модели токарного (рисунок 2) и фрезерного станков (рисунок 3), а так же манипуляторов учебной гибкой производственной системы (рисунок 4).

Рис. 2. 3-х мерная модель токарного станка

Рис. 3. 3-х мерная модель фрезерного станка

118

Разрабатываются процессы взаимодействия элементов учебного роботизированного технологического комплекса, а так же технологическая оснастка и технология изготовления детали. Разрабатывается методика для работы с измерительной машиной.

Рис. 4. Манипулятор учебной гибкой производственной системы

Разработка учебного роботизированного технологического комплекса (УРТК), призвана продемонстрировать возможности современного технологического оборудования в условиях постоянного роста производственной номенклатуры выпускаемых изделий. В совокупной работе современных систем автоматизированного проектирования и гибкого автоматизированного производства заключается ключ к успеху любого производства, т.к. данная совокупность позволит существенно (от 5 до 15 раз) сократить время на выпуск готовой продукции требуемого качества.

Литература

1.Основы создания гибких автоматизированных производств. /Под. ред. Тимофеева. И. Н.— К.: Техника, 1986. — 144с.

2.Гибкие производственные системы, промышленные роботы, роботизированные комплексы: В 14кн. /Под ред. Б.И. Черпакова.— М.: Высшая школа, 1989 — Кн. 3: Гибкие производственные модули. — 1989. — 108с.

3.ГПС в действии /Пер. с англ./: Под. ред. В.А. Кудинова. М.: Машино-

строение, 1987. — 328с.

4.Модульное оборудование для ГПС механообработки: Справочник /Р.Є.Сафраган, Г.А. Кривов, В.Н. Татаренко и др.; Под ред. Р.Є.Сафрагана.

— К.: Техника, 1989. — 175 с

Научный руководитель: Стариков А.И.

119

Влияние легирования на структуру и свойства электролитического железа

Клюева А.С., ТюмГНГУ, г. Тюмень

Внастоящее время решение вопросов экономии металла, связанных

скоррозионными процессами и износом деталей машин и конструкций, часто реализуется за счет изменения свойств поверхностных слоев изделий путем нанесения функциональных металлических покрытий.

Для упрочнения и восстановления изношенных поверхностей деталей оборудования могут эффективно использоваться электролитические сплавы на основе железа. Последнее время особый интерес вызывают сплавы, которые в процессе электроосаждения имеют тенденции к аморфизации. Для эффективного использования таких покрытий необходимо иметь четкие представления о структуре электролитических легированных аморфных сплавов, которая является связующим звеном между задаваемыми условиями осаждения и получаемыми свойствами.

Актуальным видится изучение влияния элементов-аморфизаторов на структуру и свойства электроосажденных покрытий на основе железа.

Известно, что концентрация легирующего элемента оказывает существенное влияние на элементный состав, структуру и фазовое состояние покрытий. В работе рассмотрено влияние этого фактора на особенности формирования электроосажденных сплавов железо-молибден.

Согласно данных рентгеноструктурного анализа, покрытия с содержанием до 17% молибдена, кристаллизуются с ОЦК-решеткой и представляют собой пересыщенные твердые растворы молибдена в железе. На дифрактограммах четко различаются рефлексы (110) и (200), которые с ростом содержания молибдена уширяются (становятся диффузными), а их интенсивность – уменьшается. Сплавы с содержанием от 18% до 21 % молибдена можно охарактеризовать как аморфно-кристаллические. Увеличение содержания легирующего компонента приводит к уменьшению интенсивности рефлексов на рентгеновских спектрах и одновременному увеличению ширины гало. На дифрактограммах образцов с содержанием молибдена более 21% присутствует только один диффузный пик гало, соответствующий наиболее интенсивной линии (110) железа.

Исследования структуры и морфологии поверхности электролитических сплавов железо-молибден показали, что в зависимости от фазового состояния изучаемые покрытия имеют различную ориентацию структурных элементов относительно основы.

Кристаллические сплавы железо-молибден характеризуются ярко выраженной столбчатой структурой, состоящей из кристаллитов с четкими большеугловыми границами и формируются с матовой шероховатой поверхностью роста. Увеличение содержания легирующих элементов приводит к формированию на катоде полублестящих аморфно-кристаллических

120