КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-29-10156
НазваниеРазработка технологии производства заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания для последующей изотермической штамповки
РуководительДенисов Максим Сергеевич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых", Владимирская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс№76 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс).
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые словаАвтоматизация, управление, алюминиевые сплавы, давление, кристаллизация, поршни ДВС, механические свойства, макро- и микроструктура.
Код ГРНТИ53.49.07
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В проекте ставится задача повышения качества и управление формированием основных свойств металлопродукции на самых начальных этапах, а именно, до начала кристаллизации. Указанную научную проблему предлагается решать за чет наложения давления на металл по заранее заданной программе. Предлагаемый подход позволит в конечных изделиях, а именно в заготовках поршней ДВС, добиться такого же равномерного распределения компонентов, газовых и неметаллических включений, как в перегретом жидком металле, получить более равномерное распределение интерметаллидов, неметаллических и газовых включений за счет сжатия жидкого металла при температуре, которая, на 30…50 К превышает равновесный ликвидус. Такая технология позволит приблизить структуры и свойства конечных изделий из алюминиевых сплавов к лучшим показателям пластически деформированных.
Исследования будут проводится на автоматизированном комплексе для обработки кристаллизующегося металла давлением. В состав комплекса входит: горизонтальный гидравлический пресс с усилием запирания в цилиндре 300 тонн и возможностью опрессовки металла под давлением 500 МПа; автоматизированная система управления прессом, позволяющая осуществлять опрессовку металла по заранее заданному закону управления; контрольно-измерительная система, позволяющая фиксировать основные параметры процесса в режиме реального времени.
Научная новизна ожидаемых результатов заключается в установлении взаимосвязи режимов технологического процесса литья с кристаллизацией под давлением и качества получаемых заготовок. Полученные закономерности будут использованы при проектировании и создании адаптивной системы управления процессом литья с кристаллизацией под давлением.
По результатам выполненных исследований планируется опубликовать не менее четырех статей в изданиях RSCI.
Ожидаемые результаты
1. Адаптивная система управления технологическим процессом литья с кристаллизацией под давлением с возможностью перевода обрабатываемых алюминиевых сплавов из одного состояния в другое по заданной траектории, что позволит формировать необходимый вариант структуры с таким сочетанием свойств, которое не может быть получено с применением традиционных процессов обработки.
2. Математические модели, устанавливающие взаимосвязь между технологическими режимами наложения давления и качеством получаемых заготовок, и алгоритмы для адаптивной системы управления.
3. Система уравнений, описывающая условия формирования свойств алюминиевых сплавов в пространстве переменных состояний.
4. База данных для обоснования режимов автоматизированного управления процессом литья с кристаллизацией под давлением поршневых алюминиевых сплавов.
5. Контрольно-измерительная и управляющая автоматизированная системы, позволяющие поддерживать на заданном уровне закон наложения давления на кристаллизующийся металл.
6. Новые методическое, алгоритмическое и программное обеспечение экспертной системы, реализующее поддержку принятия решений по управлению процессами формообразования кристаллизующегося металла в составе АСУ.
7. Повышение качества заготовок поршней ДВС и производительности процесса.
8. Повышение качества проектирования, эффективности расчетов и моделирования технологических процессов литья с наложением давления на кристаллизующийся металл.
9. Новое математическое, алгоритмическое и программное обеспечение для оценки текущего состояния процесса в режиме реального времени с функциями передачи данных оператору.
10. Математическая модель жидкого и твердожидкого металла под давлением как многомерного объекта управления.
11. Структура адаптивной системы управления, а также математическое, алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее решить проблемы построения адаптивных систем управления нестационарными технологическими процессами, реализующими методы контроля и прогнозирования состояния свойств металлопродукции.
Разработанную технологию планируется использовать при производстве поршней ДВС.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Разработан метод исследования процесса кристаллизации, ориентированный на измерение объема металла под влиянием давления. Установлено, что жидкий металл следует рассматривать как сложное реологическое тело, в котором, между атомами металлов растворены атомы газов из атмосферы.
Установлено, что развитие процесса усадки в междендритных пространствах приводит к неизбежному проникновению и скоплению в них растворенных газов. И если в жидком металле атомы газов, в частности, атомы водорода распределены статистически равномерно, то образование осей и их рост приводят к их преимущественному перераспределению в образовавшихся полостях. Кроме этого, сделаны выводы, что образование дендритной ячейки сопровождается вытеснением более тугоплавких компонентов сплава за пределы осей дендритов, что приводит к макро- и микроликвации
При выполнении экспериментов, результаты измерений перемещений прессующих плунжеров, показания термопар, устанавливаемых в центре полости формы и в стенках формы на разном удалении от поверхности контакта с залитым металлом, а также показания датчиков давления рабочей жидкости в гидросистеме пресса получали в виде компьютерных циклограмм.
Экспериментально установлен наиболее эффективный режим опрессовки металла, с целью получения заготовок поршней ДВС, который протекает следующим образом: в течение первых 4…5 с оба прессующих плунжера должны переместиться на 70 мм. При этом давление в гидросистеме необходимо повысить до 5,7 МПа. Во время отключения давления на 1 с оба плунжера отводятся назад на 6 мм. После включения насосов давление возрастает в течение 5 с до 9 МПа, и под постоянным давлением 10 МПа плунжеры проходят еще 30 мм, так что в полость формы запрессовывается необходимый объем металла.
Записаны циклограммы с датчиков перемещения плунжеров помогли установить, что прессующие плунжеры входят в силовое взаимодействие с кристаллизующимся металлом. Установлено, что на отрезке 0…4 с объем жидкого металла уменьшается на 70 % от максимального значения, в то время как давление достигает 58 % от 10 МПа, а под постоянным давлением 10 МПа объем уменьшается еще на 30 % от максимального значения, что свидетельствует о том, что объем запрессовываемого металла связан с величиной давления и скоростью его наложения сложной зависимостью, а упругость жидкого металла, возникающая после снятия давления, следует рассматривать как важное технологическое свойство, с которым связано проникновение атомов в междендритные пространства в процессе усадки, а также затекание металла в углубления на рабочей поверхности формы с воспроизведением рельефа и шероховатости поверхности с точностью до 1 мкм
Кроме этого, удалось установить, что наложение давления на кристаллизующийся металл в диапазоне от 400 до 500 МПа позволяет приблизить твердость, прочность и пластичность к свойствам деформированного металла.
Изучения микроструктур опытных образцов показали, что наложение давления по предложенной схеме на программном уровне, из-под корки кристаллизующегося металла, позволяет в массивном сечении радикально устранить дефекты газо-усадочного происхождения. В сечении опытных образцов – заготовок поршней ДВС диаметром от 90 до 156 мм и высотой от 57 до 150 мм формируется ячеистая структура, представляющая собой дендритные ячейки, с вытесненными на границы интерметаллидными включениями.
Экспериментально подтверждено, что простого не управляемого наложения давления недостаточно для формирования однородной структуры в сравнительно массивных (не тонкостенных) сечениях. Величина давления и скорость нарастания давления необходимо приводить в соответствие со сжимаемостью кристаллизующегося металла. Разработанное технологическое решение, в отличие от известных аналогов, реализовано при условии развития кристаллизации, направленной по температурному градиенту в сторону незакристаллизовавшегося металла.
Для того, чтобы скорость запрессовки металла из резервных объемов внутрь заготовки поршня ДВС привести в соответствие со скоростью кристаллизации металла, для данной геометрической формы заготовки была решена задача распределения температур на интервале времени от заливки до кристаллизации последних порций жидкого металла. Корректное решение поставленной задачи, позволило углубить представления о кристаллизации и послужило инструментом для управления компенсацией усадки.
Публикации
1. Денисов М.С., Петрешин Д.И., Давыдов К.Е. Методы и модели управления процессом кристаллизации в условиях двустороннего сжатия Проблемы машиностроения и автоматизации, №3, 2023, с.14-22 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.52261/02346206_2023_3_14
2. Денисов М.С., Чеботарев П.А., Давыдов К.Е. Разработка технологии производства заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания с нирезистовой вставкой для последующей изотермической штамповки Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением, 2023, №7, с. 13-27. (год публикации - 2023)
3. Коростелев В.Ф,, Денисов М.С. Исследование усадки кристаллизующегося металла в условиях контролируемого наложения давления Физика и химия обработки материалов, - (год публикации - 2024)
4. Коростелев В.Ф., Денисов М.С. Технология армирования стальными вкладышами конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов Станки и инструменты, №12, 2023, С. 11-14 (год публикации - 2023)
5. Денисов М.С., Петрешин Д.И., Чеботарев П.А., Петухова С.М. Программа для обоснования режимов изотермической штамповки заготовок из алюминиевых сплавов -, 2023680252 (год публикации - )
6. Кирдяшкин В.С., Денисов М.С., Чеботарев П.А. Программа для прогнозирования твердости заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания из высокопрочных алюминиевых сплавов -, 2023680278 (год публикации - )
7. Пылинов И.А., Денисов М.С., Румянцев И.В., Давыдов К.Е., Петухова С.М. Интеллектуальная программа для управления мехатронным модулем -, 2023683255 (год публикации - )