Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні

ТЕХНОЛОГІЯ СТВОРЕННЯ ВИРОБІВ З ЛИСТОВОГО КОМПОЗИТНОГО МАТЕРІАЛУ З ВИКОРИСТАННЯМ ТОПОЛОГІЧНОГО АНАЛІЗУ 3D-МОДЕЛІ

Сергій Танченко, Михайло Фролов, Адам Барускі, Василь Солоха, Вікторія Штанкевич — вт, 30 вер 2025 00:00:00 +0000

Мета роботи. На прикладі тривимірної моделі деталі, використовуючи методи графового моделювання та топологічного аналізу запропонувати оптимальну розгортку деталі; розробити додаткові критерії оптимізації розгортки для зменшення трудомісткості фрезерування та точності збірки; перевірити розроблені критерії на практичному прикладі.

Методи дослідження. Дослідження, що розглядається, проводилось методом графового моделювання на основі топологічного аналізу моделі виробу. Матеріал дослідження – лист алюмінієвого композиту товщиною 4мм, з шаром алюмінію 0,4мм. Було створено два варіанти розгорток основуючись на розроблених графах. Остаточний вибір оптимального варіанту розгортки було визначено за розробленими критеріями оптимальності.

Отримані результати. Узагальнено досвід вибору технологічних показників механічної обробки алюмінієвого композиту, що забезпечують високу продуктивність обробки та якість виробу. Показано, що використання теорії графів на основі топологічного аналізу моделі формалізує процес створення варіантів розгорток. Запропоновані нові критерії оптимальності, а саме сумарна довжина механічної обробки та мінімальна кількість паралельних траєкторій обробки ліній згину. Оптимізація має відбуватися за пріоритетним критерієм з використанням решти як референтних для вибору між співставними варіантами.

Наукова новизна. Розроблені критерії оптимізації розгортки при обробці алюмінієвих композитів, такі як: сумарна довжини різу для зменшення трудомісткості фрезерування; мінімальна кількість паралельних траєкторій обробки ліній згину.

Практична цінність. Використання розроблених критеріїв забезпечує максимальну продуктивність механічної обробки та максимальну точність збірки виробу з алюмінієвих композитів. Методика використання теорії графів на основі аналізу топології моделей може бути основою для автоматизації процесу створення розгорток.

ДОСЛІДЖЕННЯ ОДЕРЖАННЯ КОМПОЗИТІВ З НІТРИДОМ БОРУ НА ОСНОВІ ЧИСТОГО АЛЮМІНІЮ ЛИВАРНИМИ ТЕХНОЛОГІЯМИ

пт, 26 вер 2025 00:00:00 +0000

Мета роботи. Основною метою дослідження було оцінити можливість одержання алюмоматричних композитів (АМК) на основі чистого алюмінію з армуванням нітридом бору за допомогою ливарних технологій, зокрема методу лиття з перемішуванням. Такий підхід обрано завдяки його технологічній простоті, відносно низькій вартості та потенційній масштабованості до промислових умов.

Методи дослідження. Для аналізу розподілу та морфології армуючих частинок застосовано мікроструктурний металографічний аналіз за допомогою оптичної мікроскопії. Хімічний склад композитів визначали методами рентгенофлуоресцентного аналізу та іскрової оптично-емісійної спектрометрії. Це дозволило отримати достовірні дані щодо вмісту та засвоєння частинок нітриду бору в алюмінієвій матриці, а також оцінити вплив додаткових легуючих елементів (Ni, Sn, Zr) на структуру композиту.

Отримані результати. Експериментальні зразки АМК з вмістом 1–3 % (мас.) BN були отримані методом лиття з перемішуванням, у тому числі із застосуванням флюсів і легуючих елементів за різних умов плавки. У структурах композитів виявлено частинки BN, рівномірно розподілені в матриці, проте їх фактичний вміст становив лише 7-15% від кількості, внесеної у шихту. Встановлено, що ефективність засвоєння BN суттєво залежить від складу розплаву (вмісту армуючих частинок, наявності флюсів і мікролегуючих елементів), а також від технологічних параметрів плавки (температура перегріву, тривалість перемішування). Досліджено пористість отриманих композитів: введення BN значно її збільшує, тоді як наявність Sn знижує пористість завдяки утворенню евтектики.

Наукова новизна. Одержано нові дані щодо можливості виплавки алюмоматричних композитів на основі чистого алюмінію з нітридом бору технологією перемішування розплаву з використанням флюсу та мікролегуючих добавок, які підвищують засвоєння нітриду бору.

Практична цінність. Результати роботи доповнюють наявні відомості про виплавку алюмоматричних композитів та пояснюють відсутність досліджень саме з чистим алюмінієм як матрицею. Також отримані дані можуть бути використані для оптимізації ливарних технологій виготовлення таких композитів.

ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ОБРОБКИ КУЛЬКАМИ В МАГНІТНОМУ ПОЛІ ПЕРА ЛОПАТОК З ЕКСПЛУАТАЦІЙНИМИ ПОШКОДЖЕННЯМИ НА ВТОМНУ МІЦНІСТЬ

Гюльнара Пухальська, Сергій Субботін, Сергій Леощенко, Дмитро Безхлібний — пт, 26 вер 2025 00:00:00 +0000

Мета роботи. Дослідження впливу обробки кульками в магнітному полі пера лопаток, які мають різний ступінь ушкодження пера лопаток в експлуатації, на їх границю витривалості.

Методи дослідження. Механічний метод для дослідження залишкових напруг, експериментальний метод для визначення витривалості лопаток, методи покрокової регресії для побудови регресійних моделей.

Отримані результати. На лопатках двигунів, які працювали в різних умовах та мають різне напрацювання, найбільший знос спостерігається у периферійній частині пера (перетини А7-А7 і А8-А8). Обробка лопаток з різних двигунів, що мають експлуатаційні ушкодження, кульками в магнітному полі суттєво підвищує опір лопаток втомі, границя витривалості лопаток збільшується від 14 до 22 %. Побудовані регресійні моделі частот власних коливань і напрацювання лопаток. Отримані регресійні моделі показали, що найбільший вплив на частоту власних коливань лопаток мають не тільки умови експлуатації та геометрія лопатки, а також величина напрацювання, твердість вихідної лопатки та границя міцності лопаток. Експлуатація гелікоптерних двигунів в умовах підвищеної запиленості та абразивного зношування вимагає нанесення на верхню ділянку пера лопатки захисних покриттів з високою ерозійною стійкістю. Додаткове застосування методів поверхневого зміцнення забезпечує підвищення надійності, втомної міцності та подовження ресурсу роботи газотурбінного двигуна.

Наукова новизна. Запропоновано метод, який дозволяє ефективно обробляти перо лопатки із пошкодженнями, що виникли під час роботи, що забезпечує зростання їх довговічності та надійності. В результаті підвищуються показники витривалості та подовжується термін служби деталей.

Практична цінність. Отримані експериментальні дані дають підстави рекомендувати метод обробки пера лопаток сталевими кульками в магнітному полі як технологічну операцію для ремонту компресорних лопаток, що зазнали експлуатаційних ушкоджень типу вибоїн на вхідних кромках.

ФІНІШНІ МЕТОДИ ОБРОБКИ ЛОПАТОК ГТД ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ ЇХ РЕСУРСУ

Юрій Омельченко, Сергій Уланов — пн, 29 вер 2025 00:00:00 +0000

Мета роботи. Метою роботи є проведення аналізу сучасних підходів та методів, збільшення ресурсу компресорних лопаток ГТД через використання різних індивідуальних і комплексних методів обробки поверхні деталей. Кінцевим результатом цього аналізу є узагальнення даних по ефективності індивідуального використання кожного з методів окремо і ефективності комбінованого використання двох і більше методів одночасно або послідовно. По результатам узагальнення зроблені висновки по раціональності використання комплексних підходів та означені напрямки нових досліджень в майбутньому.

Методи дослідження. Підбір літературних джерел здійснювався з використанням бібліографічних баз Google Scholar та Scopus. Ключові слова для пошуку були «методи зміцнення лопаток», «комплексні технології», «термічні методи», «хімічні методи», «азотування»,» загальний ресурс», «компресор ГТД» українською та англійською мовами.

Отримані результати. Основним результатом роботи є чітке і детальне узагальнення і порівнювальний аналіз основних методів зміцнюючей обробки лопаток ГТД. Вказане узагальнення обґрунтовано показує перевагу використання комплексних підходів. Детально розглянуо ефект синергії при одночасному використанні декількох технологій і підтверджується це результатами звітів по практичному використанню і лабораторних досліджень, які опубліковані вітчизняними та іноземними науковцями.

Наукова новизна. Виконано комплексну систематизацію та порівняльний аналіз ефективності індивідуальних і комбінованих методів поверхневої обробки лопаток газотурбінних двигунів (ГТД) з урахуванням глибини зміцнення, приросту ресурсу, технологічної сумісності та практичної реалізованості. Запропоновано структурований підхід до оцінки синергетичного ефекту від комбінацій різних методів (механічних, хіміко-термічних, термічних, іонно-плазмових) з відокремленням найбільш результативних технологічних поєднань. Обґрунтовано, що використання таких комбінацій забезпечує підвищення ресурсу до 400–500% без зміни геометрії деталі чи матеріалу основи, що відкриває нові можливості для їхнього впровадження у серійне виробництво та ремонт авіаційної техніки.

Практична цінність. Результати роботи можуть використовуватись інженерами та науковими співробітниками для ознайомлення із сучасними різноплановими методами підвищення ресурсу ломаток ГТД, ефективністю цих методів та з перевагами комплексних підходів до використання цих методів у виробництві ГТД.

ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ФАКТОРІВ НА ЯКІСТЬ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ

Артем Сокольський, Наталія Широкобокова, Володимир Плескач, Олександр Петрашов — пт, 26 вер 2025 00:00:00 +0000

Мета роботи. Метою даного дослідження є аналіз впливу основних етапів виготовлення композитних виробів на ймовірність виникнення різноманітних дефектів. Особлива увага приділяється пошуку та обґрунтуванню практичних шляхів їх усунення на ранніх стадіях виробничого процесу. Робота спрямована на виявлення взаємозв'язку між технологічними параметрами, такими як температура, тиск та час полімеризації, і кінцевою якістю, міцністю та надійністю готової продукції. Окрім того, метою є розробка методичних рекомендацій для виробників з метою мінімізації браку та підвищення ефективності виробництва.

Методи дослідження. У роботі використано аналітичний метод та детальний розгляд факторів, які безпосередньо впливають на якість композитних матеріалів. Проведено аналіз наукової та технічної літератури, а також систематизація даних виробничої практики. Для виявлення прихованих дефектів та оцінки їхнього впливу на структуру матеріалу застосовано сучасні методи неруйнівного контролю. Це дозволило отримати об'єктивні дані про стан матеріалу без його руйнування, що є критично важливим для збереження цілісності виробів.

Отримані результати. На підставі літературних даних і виробничої практики приділено увагу факторам виробництва, які найбільше впливають на якість виготовлення композиційних матеріалів та деталей із них. Аналіз та порівняння наявних методів неруйнівного контролю для збереження структури виробів, а також використання різних методів контролю для виявлення дефектів у складній структурі композиційних матеріалів, що може забезпечити високу якість виготовленої продукції.

Практична цінність. В роботі розглянуті чинники, які впливають на якість виробу при його експлуатації, а також технологічні фактори і методи їх контролю. Для дослідження було виконано практичну роботу по визначенню впливу технологічних факторів на якість виробу, і методи усунення дефектів при виготовлені деталі.

СТРУКТУРО- ТА ФАЗОУТВОРЕННЯ В СЕРЕДНЬОЕНТРОПІЙНОМУ ВИСОКОЛЕГОВАНОМУ СПЛАВІ СИСТЕМИ Al-Mg-Si-V-Cr-Mn-Fe-Ni-Cu

Іван Ліхацький — пт, 26 вер 2025 00:00:00 +0000

Мета роботи. Одержати найбільш простим можливим способом сплав з відносно низькою для високоентропійного сплаву (ВЕС) та середньоентропійного сплаву (СЕС) температурою плавлення, який би містив недефіцитні компоненти, здатні розчинятися в алюмінії та мати взаємну розчинність. Концентрація більшості компонентів не могла перевищувати значення 2,5–5 % ат., тому основним засобом підвищення ентропії змішування слугувала кількість елементів, що входили до складу сплаву.

Методи дослідження. Для приготування розплаву було використано лабораторну піч опору. В якості шихтових матеріалів використовували чисті компоненти і концентровані лігатурні добавки, які додавалися почергово і поступово у невеликих кількостях, щоб запобігти утворенню тугоплавких інтерметалідів. Плавлення відбувалось в алундовому тиглі при температурі 1000 ºС, що дало можливість розплавитись і засвоїтись всім компонентам.

Отримані результати. Було проведено порівняння структурних та фазових характеристик експериментального сплаву в залежності від швидкості кристалізації. При охолодженні розплаву з піччю зі швидкістю 0,5 ºС/с формується неоднорідна структура, представлена переважно трьома фазами –інтерметалідом типу Al₆Me, на основі Al₆Mn, в якій розчинені залізо, нікель, хром та ванадій, інтерметалідом на основі фази типу Al₆Cu₂Ni, яка за стехіометрією могла б бути виражена формулою (Al,Ni)₂Cu, та фазою Mg₂Si. Швидка кристалізація 5·10² ºС/с сприяла певному подрібненню структури та збільшенню її однорідності, проте не призвела до помітних змін фазового складу. При цьому, варто відзначити, що в інтерметаліді типу Al₆Me основою стала виступати більш високотемпературна сполука Al₂₃V₄. Формування інтерметаліду системи Al-Ni-Cu за даних умов могло б відповідати утворенню сполуки з формулою Al₂(Ni,Cu)₃. Фаза Mg₂Si для даного зразку виділилась у складі евтектики (Mg₂Si+Si).

Наукова новизна. Показано підхід до виготовлення середньоентропійних багатокомпонентних сплавів методом плавки в печі опору. Показано вплив швидкості охолодження на фазоутворення в сплаві Al-Mg-Si-V-Cr-Mn-Fe-Ni-Cu.

Практична цінність. Розроблено підхід до отримання середньоентропійних сплавів із недефіцитних компонентів та зниженою температурою плавлення, що спрощує їх синтез. Отримані результати можуть бути використані для подальших досліджень високоентропійних та середньоентропійних сплавів.

МОДЕЛЮВАННЯ КУТА НАПРЯМКУ РЕЗУЛЬТУЮЧОГО ПЕРЕМІЩЕННЯ РІЗАЛЬНОЇ КРОМКИ РІЗЦЯ-ОСЦИЛЯТОРА

Павло Тришин, Олена Козлова, Наталя Гончар, Андрій Левченко — пн, 29 вер 2025 00:00:00 +0000

Мета роботи. Встановлення залежності кута напрямку результуючого переміщення різальної кромки різця-осцилятора від геометричних параметрів державки різними методами та обґрунтування доцільності використання різців з одним ступенем свободи для цілеспрямованого моделювання впливу окремих факторів, таких як регенеративний ефект або зміна миттєвої швидкості різання.

Методи дослідження. Аналітичний метод передбачав отримання розрахункових формул для визначення кута напрямку результуючого переміщення різця-осцилятора. Для чисельного моделювання вигинів різця-осцилятора при точінні використовувалися програми SolidWorks та Unigraphics NX. Дослідження також проводили експериментальним методом, при якому записували осцилограми коливань різальної кромки, по яких визначали статичні вигини різця-осцилятора.

Отримані результати. Розроблено методики визначення напрямку результуючого переміщення різальної кромки різця-осцилятора на основі аналітичного розрахунку, комп’ютерного моделювання та експериментального методу. Проведено комп’ютерне моделювання вигинів різців-осциляторів у програмі SolidWorks, що дозволило з високою точністю визначити кут напрямку результуючого переміщення різальної кромки при різних співвідношеннях розмірів державки різця. Показано, що оптимальне співвідношення висоти до ширини державки (h/b > 3,3 для осцилятора Х; h/b < 0,3 для осцилятора Z) забезпечує напрямок переміщення з відхиленням не більше 5° від осі Х та Z, відповідно. Експериментально підтверджено точність методу комп’ютерного моделювання, що дозволяє застосовувати його для проєктування різців-осциляторів із заданими динамічними властивостями.

Наукова новизна. Встановлено оптимальну залежність кута напрямку переміщення різальної кромки різця-осцилятора від геометричних параметрів державки, що дозволяє керувати орієнтацією коливань під час різання.

Практична цінність. Результати роботи можуть бути використані при проєктуванні різців-осциляторів для дослідження динаміки процесу точіння. Розроблена методика дозволяє знизити витрати на виготовлення дослідних зразків різців-осциляторів за рахунок попереднього моделювання їх характеристик у CAD/CAM середовищі.

УРАХУВАННЯ ТЕРТЯ ПРИ КІНЕТОСТАТИЧНОМУ АНАЛІЗІ МЕХАНІЗМІВ

вт, 30 вер 2025 00:00:00 +0000

Мета роботи. Дослідження динаміки та особливості процесів тертя на прикладі поступальних кінематичних пар.

Методи дослідження. Детально розглянуті теоретичні аспекти дослідження тертя в поступальних кінематичних парах. Введення сил тертя в рівняння кінетостатики призводить до збільшення числа невідомих компонент реакцій в кінематичних парах, а кількість рівнянь при цьому залишається незмінною. Силовий розрахунок механізмів з урахуванням тертя зводиться до сумісного рішення рівнянь кінетостатики, що містять сили тертя в якості додаткових невідомих, та співвідношень, отриманих при розгляданні відповідних моделей кінематичних пар із тертям.

Отримані результати. Отримані аналітичні залежності для визначення швидкості, пришвидшення і реакції від величини зміщення повзуна, проаналізовано зміни силових параметрів поршневого насоса внаслідок зношування деталей зворотньо-поступальної пари повзун – напрямні.

Наукова новизна. Сучасний рівень технічного прогресу потребує постійного вдосконалення продукції за якістю та продуктивністю, роблячи її конкурентною. Це призводить до підвищення вимог щодо експлуатаційних характеристик рухомих з’єднань в механізмах і машинах, які працюють в екстремальних умовах тертя та зношування. В кінематичних парах механізмів виникають сили тертя і в багатьох випадках ці сили істотно впливають на рух ланок механізмів і повинні враховуватись при силових розрахунках. Енерговитрати, пов'язані з подоланням сил шкідливого опору, є незворотними, а зменшення незворотних енергетичних витрат здійснюється завдяки обмеженню сил тертя.

Практична цінність. Дослідження показали, що зношування деталей поступальної кінематичної пари повзун – напрямні насоса призводить до несуттєвої зміни як швидкості, так і прискорення повзуна, при цьому величина максимальної реакції в цій кінематичній парі змінюється істотніше.

АНАЛІЗ МЕТОДІВ ОТРИМАННЯ ОТВОРІВ У МЕТАЛІ ТОВЩИНОЮ ПОНАД 10 мм

вт, 30 вер 2025 00:00:00 +0000

Мета роботи. Метою цього дослідження є огляд та порівняльний аналіз сучасних методів створення отворів у металевих заготовках товщиною понад 10 мм, оцінка їхньої ефективності та дослідження впливу параметрів обробки на якість отриманих отворів. Увага приділяється традиційним методам, таким як свердління та штампування спеціалізованими інструментами, а також нетрадиційним методам, включаючи гідроабразивне різання, лазерне різання та електроерозійну обробку (EDM).

Методи дослідження. У дослідженні використовувався огляд літератури та експериментальні дослідження. Експериментальні методи включали ступінчасте свердління, розсвердлювання, фрезерування, гідроабразивне різання, лазерне різання, електроерозійне свердління та холодне штампування. Якість отворів оцінювалася за допомогою геометричних вимірювань, аналізу шорсткості поверхні та дослідження зон деформації. Експериментальні установки включали змінні конструкції пуансона та штампу для вивчення впливу геометрії інструменту, зазору між пуансоном та штампом, а також сил різання на якість отвору.

Отримані результати. Було визначено, що кожен метод має різні переваги та обмеження. Штампування є найефективнішим для високошвидкісного масового виробництва з послідовною геометрією, але вимагає точного оснащення та жорсткого пресового обладнання. Свердління та лазерне різання підходять для одиничного або дрібносерійного виробництва, пропонуючи високу точність, але меншу швидкість. Гідроабразивне різання забезпечує гладкі краї та мінімальний термічний вплив, хоча воно є дорогим та повільнішим для невеликих отворів. Електроерозійне різання забезпечує виняткову точність для твердих або високолегованих матеріалів, але має низьку продуктивність. Порівняльний аналіз підкреслив вплив параметрів процесу, таких як зазор штампа, сила різання, швидкість подачі та конструкція інструменту, на якість та точність отворів.

Наукова новизна. Дослідження забезпечує систематичне порівняння кількох методів виготовлення отворів для товстих металевих заготовок, інтегруючи експериментальні результати з аналізом параметрів процесу. Новизна полягає у визначенні оптимальних параметрів та конструкцій інструментів, які мінімізують дефекти крайок та деформацію, пропонуючи рекомендації щодо високоточного формування отворів у товстих металах, що не було всебічно розглянуто в попередніх дослідженнях.

Практична цінність. Результати можуть допомогти у виборі відповідних технологій виготовлення отворів у промисловій металообробці, оптимізувати продуктивність, покращити якість поверхні та точність розмірів, зменшити відходи матеріалу та врахувати проектування інструментів та пресового обладнання для масового та дрібносерійного виробництва.