Технологическое наследование механических свойств материала при его направленном формировании

Цель – разработать комплексную модель, учитывающую взаимосвязь между конструкцией зубчатого колеса, свойствами материала и технологическими параметрами обработки. Данная модель должна предсказывать эксплуатационные характеристики колеса, учитывая воздействие как внутренних, так и внешних факторов. Для определения механических характеристик металла были проведены механические испытания с помощью электромеханического разрывного оборудования фирмы Tinius Olsen марки H100KU. Контроль механических показателей материала (предел прочности, предел текучести и др.) с нагрузкой более 100 Н/мм² выполнялись на свидетелях по ГОСТ 1497-84. Контроль механических характеристик металла производился после каждой операции. Были исследованы изменения механических характеристик сталей 16Х3НВФМБ-Ш, 20Х3МВФ-Ш, 18Х2Н4МА и 12Х2Н4А-Ш для различных заготовок и видов обработки (формование металла давлением, механическая и абразивная обработки, химико-термическая и термическая обработки). Анализ механических характеристик металла показал существенные различия в твердости, прочности и пластичности образцов, полученных разными способами. Показано, что эти различия обусловлены микроструктурой материала (размер зерна, наличие включений, степень деформации), формирующейся в процессе обработки. Анализ был выполнен по следующим параметрам: коэффициенту технологической наследственности и структурной наследственности. Установлено, что наследование механических свойств материала (способом получения заготовки) обработкой давлением с последующей термической обработкой относительно сортового проката с аналогичной термообработкой характеризуется положительной тенденцией и составляет по пределу прочности прирост до 6,2%, по пределу текучести – до 5,3%. Показано, что прирост количественного показателя по коэффициенту структурной наследственности после химико-термической обработки относительно операции шлифования по упрочненному слою составляет по пределу прочности не менее 49%, по пределу текучести – не менее 68%. Разработанная многомерная модель взаимодействия зубчатых колес учитывает множество факторов, влияющих на их работу: свойства материала, температурные поля в зоне контакта зубьев, динамические нагрузки, воздействие смазочного материала.

1. Кречетов А.А., Блюменштейн В.Ю., Законнова Л.И. Анализ механизмов наследования в живой природе и технике // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2020. № 11. С. 16–29. https://doi.org/10.30987/2223-4608-2020-11-16-29. EDN: NQTYXQ.

2. Меделяев И.А. Технологическая мутационная наследственность при смазывании деталей машин // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2023. № 3. С. 116–120. https://doi.org/10.36652/0202-3350-2023-24-3-116-120. EDN: JJRYKW.

3. Blumenstein V.Yu., Mitrofanova K.S. Study of the parameters of the pure iron structure after surface plastic deformation treatment with a complex-profile tool // Dynamics of Technical Systems. Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2021. Vol. 1029. P. 012013. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1029/1/012013. EDN: DCAPYD.

4. Blumenstein V.Y., Krechetov A. Regularities of technological inheritance in the categories of loading programs // Dynamics of Technical Systems. Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2021. Vol. 1029. P. 012012. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1029/1/012012. EDN: IAZVTV.

5. Андрюшкин А.Ю., Рустамова М.У., Кадочникова Е.Н. Влияние остаточных напряжений на прочность корпусов нефтегазового оборудования // Проблемы управления рисками в техносфере. 2022. № 1. С. 6–14. EDN: KTCKNA.

6. Лаптева Е.Н. Применение нейронных сетей для оценки технологической наследственности деталей машин // Справочник. Инженерный журнал. 2022. № 9. С. 39–44. https://doi.org/10.14489/hb.2022.09.pp.039-044. EDN: EVNASM.

7. Евдокимов Д.В., Алексенцев А.А., Букатый А.С., Ахтамьянов Р.М., Бычков Д.А. Разработка методики по оценке напряжённо-деформированного состояния изделий с учётом технологической наследственности // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2023. Т. 25. № 3. С. 57–63. https://doi.org/10.37313/1990-5378-2023-25-3-57-63. EDN: KUXEKK.

8. Брылев А.В., Лизунов И.В., Николусь А.А., Исаев Ю.Ю. Влияние технологической наследственности на точность получения размеров при механической обработке деталей машин // Главный механик. 2022. № 1. С. 58–70. https://doi.org/10.33920/pro-2-2201-06. EDN: VGCUXY.

9. Албагачиев А.Ю., Яковлева А.П. Применение методов комбинированного воздействия на поверхностный слой деталей машин в наукоёмких технологиях // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2023. № 3. С. 12–18. https://doi.org/10.30987/2223-4608-2023-12-18. EDN: BAFRTN.

10. Fedorov S.K., Yakovleva A.P., Perepelkin Yu.K. Controlling the properties of the surface layers of parts by forming regular micro-reliefs // Materials Science Forum. 2020. Vol. 989. P. 182–186. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.989.182. EDN: VWIOQF.

11. Третьяков А.Ф. Проектирование технологических процессов изготовления изделий из металлических пористых материалов на основе технологической наследственности // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2022. № 4. С. 185–193. https://doi.org/10.33979/2073-7408-2022-354-4-185-193. EDN: COOXUH.

12. Тоиржонов О.З., Малышев Е.Н. Технологическая наследственность // Механики XXI веку. 2022. № 21. С. 162–166. EDN: XLZMPS.

13. Makhalov M.S., Blumenstein V.Yu. The residual stress modeling in surface plastic deformation machining processes with the metal hardening effect consideration // Solid State Phenomena. 2022. Т. 328 SSP. P. 27–37. https://doi.org/10.4028/p-z92o0e. EDN: EHZLXX.

14. Бутенко В.И., Шведова А.С. Влияние технологической наследственности на эксплуатационные показатели поверхностного слоя деталей после отделочно-упрочняющей обработки // Упрочняющие технологии и покрытия. 2023. Т. 19. № 6. С. 254–260. https://doi.org/10.36652/1813-1336-2023-19-6-254-260. EDN: XDIIUC.

15. Blumenstein V.Yu., Mitrofanova K.S. Study on the effects of hydrostatic pressure on the structural state of pure-iron during hardening treatment with a multiradius roller // Solid State Phenomena. 2022. Vol. 328 SSP. P. 17–25. https://doi.org/10.4028/p-2niz79. EDN: UIIHJV.

16. Yakovleva A., Dubov A., Sobranin A., Karpovich E., Marchenkov A. Тechnological heredity effect on fatigue strength of hydropower plant parts after combined processing // Hydraulics. Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2020. № 779. P. 012029. https://doi.org/10.1088/1757-899X/779/1/012019. EDN: QPMNOW.

17. Fedorov S., Zaripov V., Ivanova Yu., Yakovleva A. Improving wear resistance of drill pipe sub thread by using final electromechanical surface hardening // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2020. Vol. 963. Iss. 1. P. 012008. https://doi.org/10.1088/1757-899X/963/1/012008. EDN: FMGGVH.

18. Blumenstein V.Yu., Mitrofanova K.S. Investigation of effect of the state of the deformation zones on the structure of pure-iron samples after surface plastic deformation by a multiradius roller // Technical Physics Letters. 2024. Vol. 50. No. 1. P. 19–24. https://doi.org/10.1134/S1063785024700214. EDN: ICJPSP.

19. Шеховцева Е.В. Концепция технологического обеспечения эксплуатационных свойств на основе стабилизации механических свойств материалов зубчатых колёс системы приводов газотурбинного двигателя // Вестник ИжГТУ имени М.Т. Калашникова. 2024. Т. 27. № 2. С. 15–24. https://doi.org/10.22213/2413-1172-2024-2-15-24. EDN: XZCPRL.

20. Безъязычный В.Ф., Шеховцева Е.В. Технологическое обеспечение изготовления зубчатых колес авиационных газотурбинных двигателей с учетом нестабильности физико-механических свойств их материалов // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2023. № 8. С. 35–42. https://doi.org/10.30987/2223-4608-2023-35-42. EDN: WKULPH.