Обеспечение качества технологического процесса изготовления изделий из композитных материалов с использованием кольцевых силовых элементов из никелида титана.

Актуальность исследования на сегодняшний день обусловлена эффективностью практического применения устройств, изготавливаемых на основе материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ), в машиностроении, медицине и аэрокосмической индустрии. Использование подобных изделий способствует непрерывному расширению подходов к усовершенствованию состава материалов и форм силовых элементов, а также диктует необходимость комплексного изучения закономерностей термоиндуцированных деформационных процессов. Исследования технологического процесса изготовления слоистых изделий выявили сложность деформационных процессов, которые обусловлены не только ЭПФ, но и эволюцией упругих характеристик. Анализ существующих подходов к разработке технологических процессов на основе ЭПФ позволил выявить возрастающую потребность в технологиях изготовления устройств и их апробации в действующих конструкциях. Однако отсутствуют научно-обоснованные способы разработки данных технологий. Необходимость разрешения данного противоречия определила актуальность проведения исследования кольцевых силовых пучковых элементов (КСПЭ), приводов уникальной технологической установки, работающей на ЭПФ.
Цель и задачи исследования Целью работы является повышение эффективности процесса обеспечения качества технологии изготовления изделий из композитных материалов на основе использования кольцевых силовых элементов из никелида титана. Таким образом, диссертационные исследования нацелены на получение комплекса взаимодополняющих экспериментальных зависимостей о температурных режимах (абсолютных значениях температуры и скорости ее изменения), силовых факторах, конструкционных параметрах изделий и деформационно-силовых характеристиках кольцевых силовых элементов.
Для достижения цели поставлена задача исследования, состоящая в разработке комплекса методик обеспечения качества технологического процесса изготовления слоистых антивибрационных изделий на основе применения сплавов с ЭПФ и способа термосилового воздействия на элементы технологического оборудования КСПЭ, сочетающего деформирование в состоянии пластичности превращения при охлаждении под нагрузкой и активного деформирования.
Научная новизна 1. Впервые определены зависимости деформации ЭПФ и генерируемых усилий КСПЭ из сплавов TiNi 50,45 ат. % и TiNi 50,35 ат. % после деформирования в разных температурных условиях вблизи интервала прямого мартенситного превращения. Выявлен рациональный температурный режим работы КСПЭ для получения наибольших силовых возможностей. Определено, что деформирование КСПЭ из сплава TiNi 50,45 ат. % при T = 271 К производится с минимальными усилиями. 2. Получены температурные зависимости: - проявления ЭПФ и генерации усилий в КСПЭ из сплава TiNi 50,08 ат. % от диаметра элемента пучка; - проявления ЭПФ и генерации усилий в кольцевых силовых ленточных элементов (КСЛЭ) из сплава TiNi 49,9 ат. %. Показана эквивалентность удельных силовых характеристик ленточных и пучковых элементов. 3. Решена задача расчета эволюции температурного поля и зоны гетерофазного состояния в цилиндрах и пластинах при разных режимах охлаждения в рамках математической модели механизма остаточных напряжений сплавов с ЭПФ. Результаты расчетов позволили объяснить причины падения деформационных возможностей КСПЭ при повышении скорости охлаждения поверхности материала.
Теоретическая и практическая значимость Теоретическая значимость работы состоит в разработке следующих способа и комплекса методик: 1. Способ термосилового воздействия на элементы технологического оборудования кольцевые силовые пучковые элементы с использованием состояния пластичности превращения и активного деформирования в мартенситном состоянии, позволяющий повысить эффективность технологического процесса. 2. Методика выбора рационального температурного режима работы технологического оборудования, действующего на основе ЭПФ. 3. Методика выбора рационального геометрического параметра элементов технологического оборудования КСПЭ, позволяющая обеспечить качество технологического процесса изготовления слоистых антивибрационных изделий. 4. Методика анализа гетерофазной зоны, позволяющая качественно прогнозировать работу технологического оборудования. Данные способ и методики будут способствовать развитию аналитических и численных методов расчета физических процессов, сопровождающих мартенситные превращения, и моделирования работы силовых элементов.
Практическая значимость работы заключается: 1. Определены деформационно-силовые характеристики КСПЭ из сплава TiNi 50,45 ат. %, КСПЭ из сплава TiNi 50,35 ат. %, трех пар одномассовых КСПЭ из сплавов TiNi 50,08 ат. % с разными диаметрами элемента в пучке, КСЛЭ из сплава TiNi 49,9 ат. %. 2. Получены данные о температурных зависимостях функциональных свойств КСПЭ из сплава TiNi при подготовке к работе в разных температурных условиях, позволяющие инженерам выбирать рациональный режим предварительного деформирования и термоциклирования. 3. Получены данные о температурных зависимостях функциональных свойств трех пар одномассовых КСПЭ, позволяющие изготавливать рациональные конструкции рабочих элементов и механизмов. 4. Реализована в программном варианте методика расчета температурных полей и определения области гетерофазного состояния в цилиндрических объектах и пластинах из никелида титана при прямом фазовом переходе. 5. Разработана и введена в эксплуатацию усовершенствованная испытательная установка «ЛИНД-3» для изучения элементов технологического оборудования КСПЭ. 6. Разработаны рекомендации для инженеров по работе с функциональными элементами кольцевого типа на основе ЭПФ. 7. Для предприятия ООО «ОПТИМИКСТ ЛТД» реализован комплекс мероприятий, в результате которых повышен объем выпускаемых изделий на 20 %.
Объект исследования – технологический процесс изготовления изделий из композитных материалов.
Предмет исследования – процесс обеспечения качества данной технологии.
Методы исследования Экспериментальное изучение формоизменения образцов кольцевых силовых элементов из сплава TiNi в условиях силового взаимодействия с контртелом при разных режимах нагрева и охлаждения, изменении геометрических параметров конструкций. Условия нагружения регулируются специально разработанными и сконструированными динамометрами. Скорость изменения температуры варьируется путем выбора соответствующих режимов работы термокамер и холодильного оборудования. Расчет температурных полей по сечению материала, основанный на математической модели механизма остаточных напряжений сплавов с ЭПФ.
Положения, выносимые на защиту 1. Способ термосилового воздействия на элементы технологического оборудования КСПЭ с использованием состояния пластичности превращения и активного деформирования в мартенситном состоянии, позволяющий повысить эффективность технологического процесса. 2. Методика выбора рационального температурного режима работы технологического оборудования, действующего на основе ЭПФ. 3. Методика выбора рационального геометрического параметра элементов технологического оборудования КСПЭ, позволяющая обеспечить качество технологического процесса изготовления слоистых антивибрационных изделий. 4. Методика анализа гетерофазной зоны, позволяющая качественно прогнозировать работу технологического оборудования. 5. Практические рекомендации по обеспечению качества технологического процесса изготовления слоистых антивибрационных изделий за счет повышения эффективности работы элементов оборудования КСПЭ.