#детали

Ученые Пермского Политеха разработали математическую модель, которая учитывает, как ведут себя зерна металла под нагрузкой и как температура и скорость деформации влияют на состояние изделия. Результаты этого фундаментального исследования позволят дать рекомендации по созданию более прочных и долговечных деталей для самолетов, атомных и нефтегазовых станций, сооружений и других ответственных конструкций.

Во время эксплуатации ответственные детали газотурбинных двигателей, нефте- и газопроводов подвергаются высоким нагрузкам. Концентрация напряжений на поверхности приводит к образованию микротрещин и последующему разрушению изделий. Важнейшая задача промышленности заключается в повышении их долговечности и надежности, что во многом зависит от методов и качества металлообработки. Среди эффективных технологий выделяют лазерное ударное упрочнение, которое позволяет сдерживать развитие микротрещин, значительно продлевая ресурс детали. Ученые Пермского Политеха и Института механики сплошных сред УрО РАН провели исследования и определили режим лазерной ударной обработки, при котором усталостная долговечность изделия увеличивается в шесть раз.

Для добычи нефти из скважин больших глубин используют штанговые глубинные насосы, которые в процессе эксплуатации подвергаются высоким нагрузкам. Особенно это сказывается на одной из важнейших частей устройства — насосном штоке. Это цельный металлический пруток, который толкает плунжер, создавая необходимое для перекачки нефти давление. Работа оборудования в суровых условиях приводит к появлению коррозии на резьбе детали, из-за чего его материал в дальнейшем разрушается. Для стабильной работы насосов необходимы методы, предотвращающие быстрое изнашивание таких элементов. Ученые Пермского Политеха предложили способ локального упрочнения насосных штоков с помощью технологии индукционной термической обработки. Применение разработанных рекомендаций на практике обеспечит надежность и долговечность скважинного оборудования в агрессивных условиях, свойственных горнодобывающей отрасли.

По данным ТАСС за 2023 год металлопотребление в России выросло на 7,4 процента и составило около 35 миллионов тонн. Металлы и сплавы используют во всех сферах машиностроения, в производстве медицинского и нефтегазового оборудования, военной техники, строительной и транспортной индустрии. Чтобы придать нужную форму деталям, повысить их прочность, пластичность и другие характеристики, применяют обработку металлов давлением. Однако нужно задать корректные условия процесса, иначе есть риск снизить качество заготовки. Для этого прогнозируют свойства материала с помощью компьютерного моделирования. Ученые Пермского Политеха разработали модель, которая описывает внутреннюю структуру изделий с применением нового вычислительного подхода. Он ускорит проведение расчетов. В дальнейшем такая модель может быть полезна при решении различных технологических задач изготовления — штамповки, прокатки, волочения, гибки.

В сферу тяжелого машиностроения широко внедряют аддитивные технологии для производства металлургического и горно-шахтного оборудования, тяжелых станков и грузоподъемных кранов, конвейеров, экскаваторов, крупных морских судов и вагонов. С их помощью создают конструкции с высокой точностью и сложной геометрией внутренних элементов и каналов, что невозможно при традиционных способах литья и механической обработки. Из-за послойного формирования во время 3D-печати свойства внутри изделий получаются неравномерными, поэтому их качество и срок службы снижается. Ученые Пермского Политеха провели ряд тестов на устойчивость таких материалов к разрушению. Результаты позволят расширить экспериментальную базу программ, сопровождающих жизненный цикл 3D-изделий, и за счет этого производить качественные и долговечные конструкции из аддитивных материалов.

Почти для любого вида промышленности необходима обработка металлических изделий для придания им нужной формы. От этого зависит прочность и долговечность готовой конструкции. Особая сложность заключается в деталях со сложной геометрической формой, тонкими стенками или маленькими размерами, как, например, элементы авиационных двигателей и лопастей, медицинские имплантаты и хирургические инструменты. Чтобы не повредить такие изделия, требуется точная и аккуратная работа. В этом случае применяют технологию проволочной электроэрозионной обработки: лишний материал удаляется с поверхности серией электрических ударов тока, которые подаются с тонкой проволоки. Ученые Пермского Политеха исследовали точность этого метода и нашли способ повысить ее эффективность вдвое.

В производстве трубопроводной арматуры для улучшения характеристик металлических изделий применяют метод ионно-плазменного азотирования. Он формирует на поверхности изделия защитный слой, который усиливает сопротивляемость к образованию микротрещин, повышает прочность и стойкость к коррозии. Этот способ экологически безопасен, прост в управлении, а еще универсален для упрочнения всех видов сталей и сплавов. Но в России активное использование ионного азотирования в промышленности началось относительно недавно. Производить нужное оборудование стали также намного позже, чем в других странах. Тем не менее, отечественные установки уже существуют. Ученые Пермского Политеха впервые провели сравнительные исследования модифицированных слоев, полученных с помощью европейского и российского оборудования.

В авиационной, машиностроительной, приборостроительной, горно-нефтяной и металлургической промышленности важным этапом производства ответственных изделий считается изготовление и обработка отверстий, пазов и других поверхностей. Для этого применяют электроэрозию — один из самых высокоэффективных и перспективных способов, который позволяет обрабатывать материал с помощью импульсов электрического тока. На производстве получение качественного продукта включает в себя проведение нескольких методов обработки изделия и его очистки. Но сейчас для каждой технологической операции используют свое оборудование, из-за чего весь процесс занимает много времени и ресурсов. Ученые Передовой инженерной школы Пермского Политеха разработали роботизированное устройство для электрофизической прошивки отверстий, которое позволяет проводить комплексную обработку изделия на одном оборудовании.

В последние годы в строительстве авиакосмического транспорта активно используют композиты, в том числе полимерные материалы с объемным армированием. Такие структуры повышают сопротивление сдвигу и расслоению. Однако их внедрение повышает риск снижения прочности материалов. Стандартные методики определения механических характеристик для композитов могут быть непригодны из-за их существенного отличия от традиционных материалов, на которые ориентированы стандарты. Ученые Пермского Политеха разработали алгоритм определения свойств объемноармированных структур, чтобы снизить риск неточностей в расчетах при проектировании авиакосмических деталей.

Лазерная порошковая наплавка — одна из важнейших ремонтных технологий возобновления годности деталей авиадвигателей. Она заключается в нанесении слоя материала на восстанавливаемую зону изделия с помощью лазерного луча. Процесс высокоэффективен, но из-за большой разницы температур и наличия остаточных напряжений может нарушаться форма, появляться деформации, тем самым снижая эксплуатационные характеристики деталей. В результате повышаются затраты и возникают риски некачественного ремонта. Ученые Пермского Политеха разработали алгоритм математического моделирования процесса, который позволит проводить качественную и количественную оценку деформаций в процессе лазерной порошковой наплавки для последующего производства деталей без брака.

В машиностроении широко применяется растачивание отверстий с переменным диаметром. Эта технология позволяет создавать детали для таких важнейших отраслей, как авиа- и машиностроение, ОПК, нефтегазовая и химическая промышленность. В авиастроении таким способом можно облегчить детали, в сфере оборонно-промышленного комплекса метод дает возможность вместить большее количество заряда в снаряды, а в нефтегазовой отрасли ступенчатые каналы нужны для соединения труб различного диаметра. Ученые Пермского Политеха разработали новую технологию процесса обработки ступенчатых каналов, которая избавит от дефектов заготовок.

В авиапромышленности широко используют композитные материалы, состоящие из множества коротких или непрерывных волокон, в частности, углеродные слоисто-волокнистые композиты. К ним относится углепластик. Его популярность объясняется небольшой массой, высокой прочностью и возможностью создания из него изделий сложной формы. Но при создании деталей из углепластика могут возникать различные дефекты. Они понижают способность изделия сопротивляться нагрузкам. Ученые ПНИПУ изучили влияние наиболее частых технологических дефектов на состояние композита и разработали способ прогнозирования последствий таких неисправностей. Исследование позволит создавать более устойчивые детали для самолетов, ракет, БПЛА и предупреждать их разрушение.

Среди технологических операций резания сверление играет особую роль. Это самый распространенный и экономически выгодный метод получения отверстий различных размеров. При этом для создания отверстий с соотношением глубины к диаметру более 10 единиц требуется специальное оборудование, режущий инструмент и особая технология. Ученые ПНИПУ создали динамическую математическую модель для управления системой обработки сверлением. Ранее этот процесс рассматривался только в «статике» и без учета податливости технологической системы. Разработка позволит получать точные и качественные технологические отверстия для различных промышленных деталей.

Сокращение отходов производства приводит к снижению себестоимости конечного продукта, а, значит, к увеличению прибыли. Для изготовления деталей из сырья часто требуется раскрой из металлического листового материала на заготовки произвольной формы, например, в машиностроении, автомобильной промышленности, на металлообрабатывающих заводах и других производствах. Для экономии необходимо рационально разместить детали на полотне. Такой процесс известен как создание карты раскроя материала. Использование дорогостоящего сырья предъявляет еще более жесткие требования к качеству и методам решения проблемы. Ученые ПНИПУ разработали комбинированный алгоритм для оптимального расположения фигур на листе на основе технологии искусственных нейросетей.

Детали производственных машин отливаются из стали. Их создание требует высокой точности и качества. Один из ключевых этапов изготовления — затвердевание отливки после ее заливки в форму. Его моделирование и анализ с использованием компьютерных систем позволяет улучшить качество и эффективность производства. Это снижает затраты и ускоряет процесс, поскольку отработка конструкции и ее параметров ведется не на реальных дорогостоящих плавках, а в виртуальном пространстве. Ученые Пермского Политеха разработали и проанализировали модели затвердевания отливок деталей «качалка» и «корпус насоса», которые широко применяются в авиации, чтобы определить оптимальные условия их создания.

Сейчас во многих областях промышленности широко применяются композиты на основе природных материалов, таких как базальт. Из него производят детали автомобилей, морских судов, трубопроводы и даже протезы. Но использование базальт-композита часто ограничено его недостаточной прочностью. Уже доказано, что повлиять на свойства материала можно с помощью гамма-облучения. Оно может как улучшить, так и ухудшить прочностные характеристики. Однако как именно меняется его микроструктура под воздействием радиации, пока не ясно. Ученые Пермского Политеха изучили, как различные дозы облучения воздействуют на свойства базальт-композита на молекулярном уровне. Исследование позволит точнее подбирать условия для радиационного усовершенствования материалов, чтобы производить промышленные изделия с требуемыми свойствами.

Ученые из Сколтеха показали, что стеклопластик можно перерабатывать без значительного ухудшения механических свойств, а в отдельных случаях — с их улучшением. Исследования позволяют надеяться на более экологичное будущее производства строительных материалов, деталей автомобилей, самолетов и морских судов, а также профессионального спортивного оборудования и других изделий, которые сегодня заканчивают свою жизнь на свалке.

В авиационной промышленности всегда стремятся облегчить вес конструкций и самолета в целом, чтобы сэкономить топливо и увеличить скорость и дальность полета. При этом важно сохранить высокие механические характеристики этих деталей. Часто для производства корпусов, отсеков и обшивки воздушного судна используют сэндвич-панели. Они состоят из двух прочных пластин и слоя пористого заполнителя посередине. Разработка и исследование новых структур заполнителя расширяет сферу их применения. Ученые Пермского Политеха разработали уникальную программу для быстрого проектирования оптимальных сэндвич-структур. Она позволяет подбирать параметры заполнителя и производить подготовку таких конструкций к 3D-печати, что экономит время, средства и материалы.

Волоконно-оптические датчики активно используют в мире для определения деформаций на поверхности конструкций, например, при мониторинге зданий, ангаров и мостов. Благодаря научному сообществу скоро будет возможно и внутри изделий контролировать дефектообразование с помощью оптоволокна. Сейчас изучается возможность их внедрения в композиционные материалы. Однако здесь важно учитывать специфику изготовления деталей из композитов и характеристики самих приборов. Сегодня на производстве не оценивают технологические деформации изделий таким способом. Ученые ПНИПУ предлагают внедрять волоконно-оптические датчики внутрь полимерной композиционной конструкции и получать данные о нарушениях, сохраняя при этом все эксплуатационные свойства. Такой способ позволит предсказывать возможное разрушение детали в процессе ее создания.

Литье по выплавляемым моделям — это традиционный способ изготовления деталей со сложными неровными поверхностями. В процессе литья важно полностью воссоздать форму и размер изделия из воска. Для создания внутренних полостей (они защищают детали от перегрева) в восковую модель помещают керамические стержни. Но убрать их уже после отливки сложно и трудоемко. Неполное удаление приводит к снижению эффективности охлаждения детали. Ученые ПНИПУ разработали и запатентовали способ изготовления керамических стержней, имеющих неравномерную прочность по глубине. Уникальная технология позволяет легко удалить материал. С ее помощью элементы нефтебурового оборудования, агрегатов сельского хозяйства, автомобилей и самолетов будут прочнее, а их производство — экономичнее.