Preview

Опубликовано: 29.06.2018

№ 2 (2018)
Скачать выпуск PDF
6-13 19
Аннотация

Современные методы лазерной обработки материалов активно внедряются в производство. Однако широкое их применение в машиностроении сдерживается высокой энергоемкостью процессов и неизученностью сложных быстропротекающих процессов таких технологий обработки. Статья посвящена гибридным лазерным технологиям обработки материалов, в частности лазерно-полевой закалке металлов. Проведено теоретическое исследование процесса лазерного взаимодействия с металлом; показано, что коэффициент отражения лазерного излучения и глубина его проникновения зависят от электропроводности скин-слоя. Выявлены основные взаимосвязи показателей качества обработанного слоя с параметрами лазерно-полевого технологического комплекса. Приведены результаты исследований по гибридной лазерно-полевой закалке в электростатическом поле широко используемых в машиностроении сталей (Сталь 10, Сталь 45, Сталь 65Г). Показано, что наложение электростатического поля на зону обработки приводит к увеличению глубины и твердости закаленного слоя за счет направленного движения электронов в глубь металла. Предложена математическая модель распределения температурного поля в металле под воздействием лазерного излучения, учитывающая наложение электростатического поля и позволяющая исследовать динамику технологического процесса закалки. Математически обосновано ограничение увеличения скорости охлаждения материала путем направленного движения электронов в электростатическом поле. Рассчитаны конкретные значения коэффициента влияния электростатического поля. Показано, что при наложении внешнего поля пороговое, критическое значение плотности мощности лазерного излучения, вызывающего оплавление обрабатываемой поверхности, увеличивается. Предложены конкретные математические модели для использования при подготовке производства для определения требуемой мощности лазерного излучения и напряженности электростатического поля. На основании полученных результатов предложена принципиальная технологическая схема, разработана и изготовлена установка лазерно-полевого технологического комплекса.

14-20 12
Аннотация

Существующие модельные представления позволяют с той или иной точностью оценить физикомеханические свойства материалов еще на стадии их обсуждения, без длительных процедур получения и проведения испытаний. К примеру, при оценке свойств композитов в настоящее время все шире используется «правило смесей», позволяющее вычислить прочностные свойства и электросопротивление композитных материалов на основе вкладов, которые определяются объемными долями компонентов. Очевидно, что «правило смесей», как и все модельные подходы, имеет свои ограничения, которые хотелось бы оценить на одном композите с разными объемными долями компонентов. Методом гидроэкструзии получены три Cu/Mg-композитных прутка, в медной матрице которых содержится 1, 7 и 49 тонких магниевых волокон. Выполнены оценочные расчеты прочностных свойств и электросопротивления деформированных композитов с использованием «правила смесей». Проведено сравнение расчетных данных с экспериментальными результатами. Показано, что наиболее полное соответствие результатов расчета и экспериментальных данных наблюдается в композитах с 7 и 49 магниевыми волокнами. В свою очередь, расчетные прочностные свойства сильно отклоняются от эксперимента в случае практически одинаковых объемов компонентов в одножильном композите. Это вызвано различием механизмов деформации медной матрицы с ГЦК-решеткой и ГПУволокна из магния. Результаты, полученные для композита с 49 магниевыми волокнами, наводят на мысль о начальных стадиях формирования новых фаз на Cu/Mg-интерфейсе вследствие процессов механосплавления при ИПД.

21-25 11
Аннотация

Статья посвящена рассмотрению такого важного явления в радиодеталях, как раскалывание в многокомпонентных материалах. Композиционные материалы являются важным классом радиоматериалов, поэтому улучшение комплекса их свойств носит важное фундаментальное и прикладное значение и является актуальным направлением материаловедения. Совершенствование композиционных материалов способствует их более широкому применению и изготовлению новых радиодеталей. Наряду с совершенствованием характеристик композиционных материалов значительный интерес для материаловедения представляют соединения, в которых применяются другие элементы, например редкоземельные (сплавы с празеодимом или самарием). Исследуется влияние термоупругих напряжений на работоспособность радиодеталей, содержащих композиционные материалы; выявляются физические факторы, наиболее сильно влияющие на функциональную пригодность изделий с композиционными материалами. Перед нами также стояла задача изучить механизмы возникновения и протекания термоупругого пробоя в композиционном материале, содержащем включения, в частности воздушные. Например, композиционный материал на металлической основе содержит десятки включений различного состава. Как правило, в композиционных материалах содержатся и воздушные включения, влияние которых также необходимо учитывать. Электрическая прочность и срок службы деталей из неоднородных композиционных материалов в сильных электрических полях зависят от содержания воздушных включений и их формы. В статье произведен расчет напряженности электрического поля во включениях и вблизи них. Рассмотрен процесс, происходящий в эллипсоидальном включении под действием сильного электрического поля. Проведен анализ относительного влияния формы крупных включений на механизм упрочнения. Отдельно анализируются процессы для мелких и для крупных включений в композиционном материале и их влияние на разрушение деталей из-за разрядов во включениях. Исследовано влияние комбинированного внешнего воздействия (различные температуры и т. д.). Установлено, что в сильных высокочастотных электрических полях тепловыделение вследствие ионизации в воздушных включениях в композиционных материалах может оказаться значительным, и при интенсивном внешнем воздействии могут иметься разрушающие напряжения. Неравномерный нагрев композиционного материала из-за тепловыделения в крупных включениях приводит к появлению разрушающих термоупругих напряжений и к раскалыванию радиодеталей.

26-33 13
Аннотация

Композиционные материалы широко используются в воздушных и наземных транспортных системах, хотя и имеют существенный недостаток, заключающийся в значительной анизотропии физико-механических характеристик и малой прочности, особенно при изгибе, сложном деформированном состоянии и в условиях динамических знакопеременных нагрузок. Применение электрофизического и, в частности, СВЧ модифицирования структуры изделий из таких материалов позволяет существенно повысить прочностные характеристики. В связи с сопровождающими воздействие СВЧ электромагнитного поля термическими эффектами для оптимизации технологических режимов модифицирования важно изучить теплофизические характеристики материалов сложного состава и неоднородной структуры для прогнозирования возможных последствий СВЧ воздействия. Авторами выполнены исследования кинетики нагрева, коэффициентов температуро- и теплопроводности образцов, изготовленных из стекло- и углепластика, армированного углеволокном материала с квазиизотропной структурой, аддитивных материалов – пластика ABS и композита на основе порошка Zp130, пропитанного цианокрилатом Z-BondTM90. Изучен нагрев образцов из пластика ABS с дополнительной топологической композитной структурой на основе углеродного волокна. Установлено существенное (до 8 раз) различие теплофизических параметров аддитивных пластиков ABS и композиционных материалов. В то же время прессованные стекло- и углепластики имеют в 4–6 раз меньшую температуропроводность, чем композит из порошка Zp130. Отвержденные композиты с квазиизотропной структурой имеют на порядок и более высокие значения коэффициентов температуро- и теплопроводности, что, по-видимому, связано со значительно большей плотностью структуры. Изложенное подтверждает необходимость при разработке конструкций армированных изделий из аддитивных материалов с топологической структурой и технологий их модифицирования осуществлять подбор компонентов не только по критерию повышения прочности, но и корреляции теплофизических параметров.

34-40 12
Аннотация

При проведении ремонтных работ металлоконструкций резервуаров, магистральных и технологических трубопроводов системы транспорта нефти и нефтепродуктов наблюдается повышенная пористость сварных швов. В качестве причины повышенной пористости рассматривается изменение химического состава и структуры металлов, возникающее под влиянием эксплуатационных факторов, в том числе при контакте с нефтью и нефтепродуктами. Доминирующими факторами, влияющими на повышенное порообразование при ремонте элементов системы трубопроводного транспорта, описанными ранее в научной литературе с учетом особенностей сварки плавящимся электродом в среде углекислого газа, являются: повышенное содержание водорода и углерода в сварочной ванне; высокая скорость охлаждения металла, явления деформационного старения ферритно-перлитных сталей и водородного охрупчивания. Сделаны выводы о причинах повышенной пористости. Проведены исследования, подтверждающие увеличенное содержание водорода и углерода в металле под влиянием эксплуатационных факторов, причем в металле со стороны контакта с нефтепродуктами массовая концентрация водорода с внутренней стороны образца более чем в два раза выше массовой концентрации водорода с внешней стороны. Содержание углерода со стороны контакта с нефтью превышает содержание углерода с внутренней стороны на 20 %. На основе проведенного исследования предложен ряд технологических мер по уменьшению пористости в металле шва в производственных условиях ПАО «Транснефть»: увеличение погонной энергии сварки в пределах установленных диапазонов режимов сварки; предварительная термообработка стали, бывшей в эксплуатации, с последующим медленным охлаждением для уменьшения свободного углерода.

41-46 18
Аннотация

Мировые тренды роста энергопотребления, повышения нефтеотдачи пластов, наряду с ужесточением требований нормативно-правовой базы, законодательства в части обеспечения рационального природопользования, требований экологии и промышленной безопасности, предопределяют актуальность и востребованность разработки и внедрения новых технологических, схемных и компоновочных решений, обеспечивающих качественную гидродинамическую связь «пласт – скважина». В статье рассмотрены вопросы повышения качества вторичного вскрытия нефте- и газоносных пластов, проанализированы существующие методы и технические средства для вторичного вскрытия продуктивного пласта. Приведены аргументы, доказывающие, что применение сверлящей перфорации, с точки зрения обеспечения гидродинамической связи «пласт – скважина», а также соответствия наиболее значимым критериям эффективности вторичного вскрытия, является наиболее целесообразным для работы на скважинном фонде, особенно в сложных коллекторах, при работе на наклонно-ориентированных и горизонтальных скважинах. Проведен патентный обзор и анализ существующих технических средств, в результате которых предложен перспективный сверлящий перфоратор с электрогидравлической системой и поворотным механизмом рабочей части для вскрытия нефте- и газоносных пластов, который сохраняет фильтрационные свойства пласта за счет вскрытия его в щадящем режиме, обеспечивает высокое качество гидродинамической связи продуктивного пласта со скважиной, а также способствует увеличению коэффициента извлечения нефти благодаря многоточечной перфорации. Показано, что реализация высокого качества гидродинамической связи пласта со скважиной, увеличение нефтеотдачи во многом зависят от технических параметров перфораторов и обеспечиваются в том числе и за счет корректного моделирования рабочих процессов в наиболее ответственных элементах конструкции перфоратора.

47-52 16
Аннотация

Одним из эффективных средств повышения эффективности операций механической обработки заготовок является рациональное использование энергии ультразвуковых колебаний (УЗК). Для разработки рекомендаций по выбору направления и амплитуды УЗК в процессе шлифования выполнены исследования кинематики взаимодействия шлифовального круга с заготовкой. Предложены аналитические зависимости для расчета скорости перемещения абразивного зерна относительно заготовки, количества абразивных зерен, контактирующих с заготовкой, и параметра Ra шероховатости обработанной поверхности при шлифовании с УЗК. С использованием этих зависимостей выполнено численное моделирование для различных условий и режима шлифования. Установлено, что при наложении на заготовку колебаний в направлении, совпадающем с вектором рабочей скорости шлифовального круга, для уменьшения силы трения в зоне контакта круга с заготовкой необходимы колебания с частотой, выходящей за пределы частотного диапазона промышленных ультразвуковых установок. Наложение колебаний в направлении, перпендикулярном обрабатываемой поверхности, приводит к существенному увеличению высотных параметров шероховатости этой поверхности. При наложении колебаний в направлении, совпадающем с осью круга, обеспечиваются минимальные высотные параметры шероховатости, а за счет прерывистого контакта зерен с заготовкой возможно снижение коэффициента трения, поэтому УЗК целесообразно накладывать в этом направлении. Для наложения колебаний на заготовку использовали устройство, в котором она закрепляется между излучателем колебаний и опорой и является одним из звеньев колебательной системы. Экспериментальные исследования, выполненные при плоском шлифовании заготовок из сталей 3Х3М3Ф и 12Х18Н10Т, позволили установить, что наложение колебаний амплитудой 2Az=6…9 мкм в направлении, совпадающем с осью круга, обеспечивают снижение сил шлифования на 10…15 %, износа круга на 25…40 %, параметра шероховатости Ra на 12…15 %.

53-60 26
Аннотация

В статье рассматривается механизм деформирования при резке тонколистового материала с целью прогнозирования качества профиля реза путем рационального выбора зазора и показателей системы «заготовка – секционный рабочий инструмент». Задачи исследования решались для плоской деформации с использованием конечно-элементной модели процесса резки. На основании результатов расчета выполнено описание напряженно-деформированного состояния материала в зоне реза для четырех стадий процесса. Определены показатели напряженно-деформированного состояния и условия в материале, которые приводят к образованию трещины. Выполнена оценка степени влияния усилия деформирования и прижима на величины упругих деформации секций и значение зазора. Установлено значение распирающего усилия, которое соответствует величине от 10 до 30 % от максимального усилия разделительной операции. В работе отмечено, что значительное влияние на изменение величины зазора между режущими секциями оказывает боковое распирающее усилие. Выявлено, что изменение величины зазора под влиянием упругих деформаций верхней и нижней секции невелико и находится в пределах допуска рекомендуемого зазора. Предложено условие получения качественной поверхности профиля реза, которое обеспечивается в случае совпадения направления распространения трещины с направлением, соединяющим режущие кромки на секциях верха и низа. Установлено, что оптимальный зазор для значений параметров, используемых в работе, составляет 5 % от толщины материала, что согласуется с производственными результатами. Анализ распределения полей главных нормальных напряжений в очаге деформации позволил установить, что напряжения, будучи растягивающими, способствуют раскрытию скалывающих трещин, возникающих в слоях заготовки, расположенных вблизи от режущих кромок. В статье отмечено, что распространению скалывающей трещины от режущей кромки верхнего инструмента способствует большее значение результирующей величины главного нормального растягивающего напряжения в очаге деформации у верхнего инструмента, чем у режущей кромки нижнего инструмента.



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2073-5073 (Print)
ISSN 2712-8458 (Online)