Удосконалення технологічних режимів та конструктивних параметрів механічного обладнання для виробництва композиційних матеріалів з використанням процесу прокатки порошків

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна машинобудівна академія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.03.05 "Процеси і машини обробки тиском"

Удосконалення технологічних режимів та конструктивних параметрів механічного обладнання для виробництва композиційних матеріалів з використанням процесу прокатки порошків

Грибков Едуард Петрович

Краматорськ 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній академії Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Сатонін Олександр Володимирович, доцент кафедри “Автоматизовані металургійні машини та обладнання” Донбаської державної машинобудівної академії

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Рябічева Людмила Олександрівна, Східноукраїнський Національний університет, м. Луганськ, завідувач кафедрою матеріалознавства;

кандидат технічних наук, доцент Луценко Віктор Олександрович, Донбаський гірничо-металургійний інститут, м. Алчевськ, завідувач кафедрою “Обробка металів тиском і металознавство ”.

Провідна установа - Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова Національної Академії наук України, відділ проблем прокатки листа, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться " 6 " вересня 2001 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01 по захисту дисертацій у Донбаській державній машинобудівній академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус)

Автореферат розісланий " 5 " серпня 2001 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01, д.т.н., проф. І.С. Алієв

1. Загальна характеристика роботи

прокатка композиційний матеріал монометалевий

Актуальність теми. Виробництво композиційних листів з порошкових матеріалів шляхом їхньої прокатки є прогресивним маловідходним і високоефективним процесом, за допомогою якого можна одержувати металовироби з заданими фізико-механічними властивостями, заощаджуючи при цьому гостродефіцитні матеріали.

З метою удосконалення технології й устаткування для виробництва композиційних металовиробів з порошків виникає необхідність у розробці математичних моделей по визначенню напружено-деформованого стану, а для прокатки порошкових матеріалів на металевій підложці - у розвитку математичного апарату для врахування пластичної деформації монометалевої складової композиції, що, як показали теоретичні й експериментальні дослідження, має місце при прокатці щодо тонких листів і стрічок.

Відсутність методів прогнозування основних показників якості такого виду металопродукції і забезпечення необхідної міцності одержуваних металевих зв'язків стримує розвиток відповідних технологій і устаткування. Крім питань технології виробництва композицій даного виду, відсутні рекомендації з вибору й удосконалення основних конструктивних параметрів устаткування станів даного типу. Відзначене знижує техніко-економічні показники процесу промислового виробництва композиційних порошкових металовиробів, а це, в свою чергу, робить актуальним проведення подальших комплексних теоретичних і експериментальних досліджень, спрямованих на підвищення ефективності відповідних технологій і устаткування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до наукового напрямку однієї з ведучих наукових шкіл Донбаської державної машинобудівної академії “Створення нових і удосконалення діючих технологій, устаткування і засобів автоматизації в прокатному виробництві”. Робота виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт відповідно до координаційних планів Міністерства освіти України (наказ № 45 від 15.03.96, № 37 від 13.02.97, № 463 від 28.12.98, № 507 від 30.10.2000, № 551 від 23.11.2000, роботи № 0194U015526, 0196U015979, 0197U001595, 0199U001457, 0101U001747).

Мета і задачі дослідження. Розширення сортаменту, підвищення якості і зниження собівартості листових композиційних матеріалів, що включають порошкові складові, на основі розвитку математичних методів розрахунку, а також розробки рекомендацій з удосконалення й автоматизованого проектування технологічних режимів роботи і конструктивних параметрів механічного устаткування спеціалізованих прокатних станів.

Для досягнення зазначеної мети в роботі поставлені і вирішені наступні основні задачі:

- розробка математичних моделей з розрахунку напружено- деформованого стану при первинній і вторинній прокатці двошарових біпорошкових листових композицій;

- уточнення математичних моделей з розрахунку напружено-деформованого стану при прокатці листових композицій порошок - монометал;

- розробка програмних засобів з імітаційного математичного моделювання точності геометричних характеристик, а також ступеня стабільності результуючих фізико-механічних властивостей і енергосилових параметрів процесу прокатки композиційних матеріалів, що містять порошкову складову;

- експериментальне уточнення вихідних даних і виявлення основних закономірностей механізму формування напружено-деформованого стану при прокатці листових композиційних матеріалів, що містять порошкову складову;

- розробка рекомендацій з удосконалення й автоматизованого проектування технологічних режимів процесу прокатки біпорошкових композицій і композицій порошок-монометал;

- розробка рекомендацій з удосконалення й автоматизованого проектування конструктивних параметрів механічного устаткування спеціалізованих прокатних станів.

Об'єкт дослідження. Процеси й устаткування для виробництва композицій на основі порошкових матеріалів.

Предмет дослідження. Основні закономірності механізму формування напружено-деформованого стану й основних показників якості при прокатці композицій на основі порошкових матеріалів.

Методи дослідження. В основу теоретичних досліджень були покладені методи теорії пружності і пластичності, методи теорії плануємого експерименту і математичної статистики, а також методи вирішення задач оптимізаційного плану та імітаційного моделювання. Експериментальні методи містили в собі фізичне моделювання, методи тензометрії, виміру геометричних параметрів і механічних властивостей.

Наукова новизна отриманих результатів. Серед основних положень і розробок, поданих у дисертації, новими для науки і практики є наступні:

уперше розроблені математичні моделі напружено-деформованого стану при первинній і вторинній прокатці композиції порошок-порошок, що враховують реальний характер зміни геометричних параметрів, механічних властивостей і умов контактного тертя по довжині осередку деформації;

уточнено чисельні математичні моделі процесу первинної і вторинної прокатки композиції порошок-монометал, що забезпечують можливість прогнозування збереження її цілісності та враховують можливість пластичної деформації металевої підложки;

на основі отриманих математичних моделей розроблений комплекс регресійних аналітичних описань, що дозволяє знизити трудомісткість чисельної реалізації при визначенні основних параметрів процесу;

уперше з використанням регресійних моделей і загальної стратегії методу Монте-Карло розроблений комплекс імітаційних математичних моделей прокатки композицій на основі порошкових матеріалів, що дозволяють прогнозувати енергосилові параметри, точність геометричних характеристик і ступінь стабільності фізико-механічних властивостей у їх ймовірному аспекті;

сформульовано та вирішено задачу з автоматизованого проектування технологічних режимів при реалізацій процесів первинної і вторинної прокатки композицій на основі порошкових матеріалів, а також конструктивних параметрів устаткування для їхньої реалізації;

кількісно та якісно описано механізм впливу технологічних параметрів на процес прокатки композицій на основі порошкових матеріалів і сформульовані рекомендації з їхнього удосконалення, що забезпечують розширення сортаменту та підвищення якості готових металовиробів;

визначене вплив конструктивних параметрів механічного устаткування спеціалізованих прокатних станів на процес прокатки композицій на основі порошкових матеріалів і сформульовані рекомендації з їхнього удосконалення.

Практична цінність отриманих результатів. Практична цінність полягає в наступних результатах, отриманих в дисертаційній роботі:

- комплекс регресійних моделей, котрий був отриманий до прокатки композицій на основі порошків, що дозволяють значно знизити трудомісткість визначення основних показників даного процесу;

- розроблені установка і метод для експериментального визначення фізико-механічних властивостей порошків різноманітного складу, що дозволяють уточнити і розширити обсяг вихідних даних на проектування нових технологій порошкової металургії;

- комплекс програмних засобів з автоматизованого розрахунку основних показників якості готових металовиробів, що дозволяє оцінити техніко-економічні показники процесу прокатки композицій на основі порошків;

- комплекс програмних засобів з автоматизованого проектування технологічних режимів і конструктивних параметрів устаткування спеціалізованих прокатних станів, що забезпечує зниження трудомісткості і підвищення ефективності проектно-технологічних і проектно-конструкторських робіт;

- рекомендації з удосконалення діючих технологій і устаткування для реалізації процесу прокатки композицій на основі порошків.

Результати роботи використані при проектуванні технологічних режимів роботи та конструктивних параметрів механічного устаткування спеціалізованого стану П400 (акт впровадження від 31 січня 2000 р.), при виробництві дослідно-промислової партії заготовок вкладишів підшипників ковзання на стані 260ґ200 Донбаської державної машинобудівної академії (акт використання від 22 жовтня 2000 р.), а також у вигляді програмних засобів і рекомендацій, спрямованих на удосконалення устаткування спеціалізованих прокатних станів.

Особистий внесок здобувача. При проведенні досліджень, результати яких опубліковані в співавторстві, автору належить розробка математичних моделей, алгоритмів і програмних засобів, участь у проведенні дослідів, аналіз і узагальнення результатів теоретичних, а також експериментальних досліджень, розробка практичних рекомендацій і участь у впровадженні їх у промислове виробництво.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи повідомлені й обговорені:

на міжвузівській науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців "Проблемы техники, технологии и экономики машиностроительного производства" (м. Краматорськ, 1996); на науково-технічній конференції "Проблемы развития наукоемких и малоотходных процессов обработки металлов давлением" (м. Краматорськ, 1997); на науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців "Перспективные технологии и оборудование обработки металлов давлением" (м. Краматорськ, 1997); на Всеукраїнській науково-технічній конференції " Перспективные технологии и оборудование обработки давлением в металлургии и машиностроении" (м. Краматорськ, 1998, 1999, 2000, 2001); на науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців "Перспективы развития крупных машиностроительных предприятий - оборудование, технологии, организация производства" (м. Краматорськ, 1998); на науково-технічній конференції "Наука, производство, предпринимательство - развитию металлургии" (м. Донецьк, 1998); на VII Міжнародній науково-технічній конференції "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий" (м. Запоріжжя, 1998); на V Міжнародній науково-технічній конференції “Теоретичні проблеми прокатного виробництва” (м. Дніпропетровськ, 2000); на Міжнародній науково-технічній конференції "Удосконалення процесів та обладнання для виробництва та обробки металопродукції для металургії та машинобудування" (м. Краматорськ-Слов'янськ, 2000); на науковому семінарі кафедри “Автоматизовані металургійні машини та устаткування” (2000) і об'єднаному науковому семінарі при спеціалізованій раді Д 12.105.01 ДДМА (2001).

Публікації. Основний зміст роботи опублікований у 17 статтях, з них 13 у 9 спеціалізованих виданнях і 1 патенті.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 6 розділів і висновків. Вона викладена на 118 стор. машинописного тексту, крім того містить 68 малюнків, 5 таблиць, список використаних джерел з 113 найменувань, а також 2 додатки.

2. Основний зміст роботи

В вступі обґрунтована актуальність проблеми досліджень, сформульована ціль роботи та намічені шляхи її досягнення, показаний зв'язок роботи з науковими темами. Дана характеристика наукової новизни та практичного значення отриманих результатів, а також їхньої апробації й впровадження.

Технологічні режими, конструктивні особливості механічного устаткування і методи розрахунку для виробництва композиційних матеріалів на основі процесу прокатки порошків (аналіз стану питання)

Теоретично процес прокатки порошкових матеріалів був досліджений у роботах Виноградова Г.А., Друянова Б.А., Ісайовича Л.А., Каташинського В.П., Катруса О.О., Лаптєва О.М., Ложечникова Є.Б., Петросяна Г.Л., Романова С.М., Степаненко А.В., Штерна М.Б. та інших учених з погляду інженерних методів розрахунку і створення основ для відповідного проектування устаткування. У ряді робот процес прокатки монопорошкових середовищ вивчений з погляду чисельних методів розрахунку. Отримані в даних роботах результати послужили основою для створення цілого ряду технологій і устаткування для виробництва прокату з порошкових матеріалів. Разом з тим методи розрахунку двох- і більш порошкових середовищ, а також процесів прокатки порошків на пластично деформуємій підложці по цей час відсутні, хоча напружений стан і кінематика цих процесів істотно відрізняються від деформації монопорошкових середовищ. Усе це стримує розвиток відповідних технологій та устаткування.

Щодо прогнозування основних показників якості металопрокату з порошкових матеріалів, до яких відносяться результуюча відносна щільність порошкової композиції і точність геометричних характеристик, існує лише кілька інженерних методик, у яких описано зв'язок цих параметрів від обмеженого числа факторів. Слід також зазначити відсутність цих методик для двошарових композицій, що включають порошкові матеріали. Для даного виду металопрокату відсутні методики для прогнозування цілісності такого типу композиції після її деформації, а також рішення, що дозволяють оцінити вплив стохастичної зміни вихідних параметрів процесу на його результуючі характеристики. Відзначене вище позначило мету і задачі даного дослідження.

Вибір напрямку та обґрунтування методів дослідження

Розвиток технології й устаткування для реалізації процесу прокатки композиційних матеріалів з використанням порошків зв'язаний з розробкою практичних рекомендацій. Відсутність достатнього обсягу експериментальних даних щодо умов реалізації цих процесів вимагає розвитку, а для прокатки композиції порошок-порошок - створення відповідного математичного апарату.

Розроблені математичні моделі були засновані на розбивці осередку деформації по його довжині на кінцеву множину елементарних об'ємів і наступнім чисельнім рекурентнім рішенні кінцево-різницевих форм умови їх статичної рівноваги. Як функціональний зв'язок між нормальними і нормальними контактними напругами була прийнята досить широко використовувана і підтверджена експериментально еліптична умова пластичності для сипучих середовищ.

Менш трудомісткі регресивні описи основних показників процесу були отримані на основі чисельної реалізації математичних моделей з використанням методу плануємого експерименту.

Дослідження енергосилових параметрів і ступеня стабільності результуючих геометричних характеристик і фізичних властивостей у їх імовірному аспекті було проведено на основі чисельної реалізації розроблених імітаційних моделей, що представляють собою сполучення регресійних залежностей, генерування псевдовипадкових чисел, ітераційного рішення пружно-пластичної задачі системи робоча кліть-лист і блоку статистичної обробки, об'єднаних загальною стратегією Монте- Карло.

З метою уточнення вихідних даних, необхідних для розробки і чисельної реалізації математичних моделей напружено-деформованого стану порошкової композиції був розроблений експериментальний метод і принципово нова установка для визначення фізико-механічних властивостей порошків різноманітного складу (патент 40000142 України).

Для оцінки ступеня вірогідності розроблених математичних моделей був проведений комплекс експериментальних досліджень, як локальних, так і інтегральних характеристик процесу. У їхню основу були покладені методи фізичного моделювання, тензометрії і статистичної обробки. Експериментальні дослідження інтегральних характеристик процесу прокатки двошарових композицій, що включають порошкові матеріали і монометали, проводилися на промислово-лабораторному прокатному стані 260ґ200 кафедри АММ ДДМА, а дослідження розподілів локальних характеристик напружено-деформованого стану процесу прокатки композиції порошок-монометал по довжині осередку деформації, а саме нормальних контактних і дотичних контактних напруг, проводили на спеціальній установці для пластичної деформації.

Математичне моделювання напружено-деформованого стану та основних показників якості при прокатці композиції порошок (м) - порошок (т)

Як було зазначено раніше, в основу запропонованої математичної моделі покладене чисельне рекурентне рішення кінцево-різницевої форми умов статичної рівноваги кожного окремого виділеного елементарного обсягу, отриманих шляхом розбивки зони пластичної формозміни на їхню кінцеву множину. Використовувана в цьому випадку розрахункова схема осередку деформації представлена.

При розробці математичної моделі був прийнятий ряд наступних основних допущень:

· деформація стрічки двомірна і стала в часі, при цьому кінематика плину кожного з порошкових шарів підкоряється гіпотезі плоских перетинів;

· граничні перетини зон ущільнення і пружного відновлення являються плоскими і перпендикулярними осі прокатки;

· поточні значення кутів контакту aхмi і aхтi, дотичних міжшарових (зсувних) tхтмi напруг по довжині кожного окремого i-го виділеного елементарного об'єму не змінюються, у той час як зміни нормальних pхi і дотичних tхтi, tхмi контактних напруг носять лінійний характер;

· дотичні контактні напруги підкоряються закону

tх=рх fx;

· показники механічних властивостей, нормальні напруги sхт(м)1(2)i, а також кінематичні параметри процесу прокатки змінюються тільки по довжині осередку деформації, у той час як по товщині кожного окремого перетину розглянутої складової їхня величина залишається постійною.

У випадку первинної прокатки композиції порошок (м) - порошок (т) кінематичні - Vхтi, Vхмi, а разом з ними і геометричні - hхтi, hхмi параметри процесу є невідомими і підлягають визначенню. Відомими в цьому випадку є тільки значення вихідних товщин твердої h0т і м'якої h0м складових.

Крім того, згідно рекурентній формі рішення, відомими для кожного окремого виділеного елементарного об'єму є нормальні контактні рх1і і нормальні осьові sхт1і, sхм1і напруги і відповідні їм геометричні характеристики hхт1і, hхм1і.

Безпосередньо розрахунок напружено-деформованого стану кожної зі складових порошкової композиції робили шляхом спільного рішення кінцево-різницевих форм їхніх умов статичної рівноваги й умови пластичності.

У результаті стосовно нормальних контактних напруг кінцевого в рамках виділеного елементарного об'єму перетину було отримано:

де для твердої складової:

для м'якої складової:

aхт(м)2i, bхт(м)2i - поточні по довжині осередку деформації значення коефіцієнтів умови пластичності, що враховують специфіку деформації саме порошкового середовища;

ssxт(м)2i - поточне значення межі плинності твердої фази порошку;

hx м(т) (1)2i - поточні товщини м'якої (м) і твердої (т) складових композиції;

fxм(т)1(2)i - коефіцієнти тертя.

Нормальні напруги sхт2i і sхм2i були виражені через відповідні нормальні контактні напруги pхт2i і pхм2i виходячи з умови пластичності для сипучих середовищ:

(2)

В міру визначення рxт2i і рxм2i кінцеві в рамках даного елементарного об'єму товщини hx2мi і hx2тi визначали шляхом ітерації, виходячи з умови забезпечення рівності нормальних контактних напруг рxт2i”рxм2i:

, , (3)

де в першому циклі k-ої ітераційної процедури, виходячи з початкового припущення про рівність витяжок, приймали

Ah - перемінний крок зміни товщини шару більш м'якої складової.

Крім визначення поточних товщин складових порошкової композиції виходячи з умови збереження маси також були знайдені вираження поточних значень їхньої відносної щільності, отримані шляхом аналізу залежностей між головними швидкостями пластичної деформації і головних напруг s1, s2, s3 наданих теорією плину пористих матеріалів.

Як векторну спрямованість використовуваної рекурентної схеми рішення приймали напрямок, що відповідає напрямку руху композиції, що прокатується, а як умови зв'язку при переході від i-го до (i+1) елементарного об'єму використовували наступні умови:

(4)

де початкові умови, тобто геометричні і силові характеристики для першого елементарного об'єму, відповідали:

(5)

Крім ітераційної процедури (3) чисельна математична модель була доповнена ітераційною процедурою розрахунку зони пружного відновлення, а також ітераційними процедурами по визначенню зон відставання lот і lом (див. рис. 1 а) і врахування пружного сплющення робочих валків, а також організацією чисельного інтегрування нормальних контактних напруг.

Крім первинної прокатки математичному опису напружено-деформованого стану також підлягає процес вторинної прокатки композиції порошок (м)-порошок (т). В основному постановка задачі і характер допущень, використовуваних при розробці даної математичної моделі, відповідали постановці і допущенням, використовуваних при моделюванні первинної прокатки. Відмінність полягала лише в тому, що при моделюванні враховувався взаємозв'язок фактичної межі плинності твердої фази від ступеню деформації.

У цілому, подані в цьому розділі описи склали повні алгоритми з одномірного математичного моделювання напружено-деформованого стану при первинній і вторинній прокатці композиції порошок (м)-порошок (т).

Математичне моделювання напружено-деформованого стану та основних показників якості при прокатці композиції порошок-монометал

Постановка задачі і характер допущень, використовуваних при розробці математичної моделі процесу первинної прокатки композиції порошок - монометал, відповідали постановці і допущенням, які використовувались раніше при моделюванні відповідного процесу прокатки композиції порошок-порошок. Повний розрахунок напружено-деформованого стану для окремо виділеного елементарного об'єму також був зведений до визначення нормальних sхм2i і sхт2i і нормальних контактних напруг рх2i на основі цілеспрямованого перебору товщин hxм2i, hxт2i за умовою забезпечення рівності кінцевих у рамках елементарного об'єму нормальних контактних напруг. Відмінність у моделюванні даного процесу полягає в тім, що тут нормальні напруги твердої складової (металевої підложки) sх2т будуть підкорятися умові пластичності для суцільних середовищ. Також була врахована наявність функціонального зв'язку між загальною довжиною дуги контакту і товщиною монометалу шляхом визначення пружної деформації підложки.

Визначення кінематики і геометричних параметрів процесу прокатки композиції порошок- монометал при наявності попередніх міжшарових зв'язків, отриманих при спіканні порошкової складової, аналогічно моделюванню процесу вторинної прокатки композиції порошок-порошок. Відмінність у моделюванні напружено-деформованого стану цього процесу буде полягати лише у визначенні поточної межі плинності для твердої складової.

З погляду зниження трудомісткості чисельної реалізації, а також для забезпечення можливості визначення основних характеристик процесу прокатки в реальному масштабі машинного часу особливий інтерес викликає сполучення методів математичного моделювання та елементів теорії плануємого експерименту. Останнє, зокрема, може бути проілюстроване на прикладі визначення основних енергосилових і результуючих геометричних параметрів, що мають місце при реалізації процесу прокатки двошарових композицій порошок-монометал.

При цьому, як стратегію чисельної реалізації отриманих раніше математичних моделей, з огляду на нелінійний характер досліджуваних залежностей, були прийняті симетричні композиційні плани другого порядку, що дозволяють з достатньою точністю описувати факторний простір у всьому діапазоні можливих умов реалізації. В якості вар'їруємих були обрані п'ять факторів, а саме: радіус робочих валків, вихідні товщини обох складових, початкова відносна щільність порошкової складової і кінцева товщина композиції. Розрахунок коефіцієнтів регресії проводився для п'яти різних відгуків, а саме - для сили і моменту прокатки, кінцевої товщини порошкової та монометалевої складової, кінцевої відносної щільності порошкової композиції.

Для аналізу основних показників якості готової продукції з урахуванням стохастичного характеру зміни основних вихідних параметрів процесу прокатки була розроблена імітаційна математична модель розрахунку основних показників якості готової продукції з використанням як цільової функції регресійної моделі, а також загальної стратегії методу Монте-Карло. До основних параметрів, вар'їруємих у цьому випадку, у першу чергу варто віднести товщину насипного шару h0м; товщину монометалевої складової h0т; вихідну відносну щільність порошкової складової г0. Також був прийнятий до уваги той факт, що в результаті погрішностей виготовлення робочі валки мають деяке радіальне биття ДR. По мірі досягнення заданої кількості розиграшів [k], достатньої для створення необхідної бази даних, з використанням методів математичної статистики робили обчислення основних статистичних характеристик і побудову розрахункових гістограм розподілу основних показників якості, а також енергосилових параметрів процесів прокатки.

Експериментальні дослідження процесу виробництва багатошарових композиційних заготовок з використанням порошкових матеріалів

При визначенні фізико-механічних властивостей порошків суть експериментальних досліджень полягала в пресуванні відповідної порошкової композиції в закритій матриці (див. рис. 2) при різних, вар'їруємих, значеннях сили Y. При цьому саме пресування робили з використанням натискного механізму робочої кліті промислово-лабораторного прокатного стану 200ґ260 кафедри АММ (ДДМА, м. Краматорськ).

Знаючи сили, що вимірюються за допомогою месдоз, а, отже, нормальні контактні і радіальні напруги, а також відповідну їм відносну щільність порошкової композиції визначали залежність коефіцієнтів aj і bj від зміни показника відносної щільності gj. За допомогою цієї залежності і були визначені постійні для кожного конкретного складу порошку значення коефіцієнтів, що описують його фізико-механічні властивості при пластичної деформації.

Вищевказані експериментальні дослідження були проведені стосовно до порошку бронзографіту (79% міді, 15% олова, 4% свинцю, 2% графіту). З аналізу отриманих результатів був зроблений висновок про лінійну залежність значення коефіцієнта a від відносної щільності g, що дозволило прийняти показник ступеню m для аналітичного опису , рівним одиниці. Кількісна ж оцінка коефіцієнта a того ж аналітичного опису для даного матеріалу склала a=1.737. Значення коефіцієнта b зі збільшенням відносної щільності зростають, асимптотично наближаючись до одиниці. Отримана ж кількісна оцінка показника ступеню n аналітичного опису , у даному випадку склала n=3.049, а значення фактичної межі плинності твердої фази ss дорівнює 274 Н/мм2.

Для оцінки ступеня вірогідності розроблених математичних моделей шляхом визначення інтегральних характеристик процесу були проведені відповідні експериментальні дослідження. У процесі кожного експерименту фіксувалися основні технологічні параметри прокатки: товщина композиції h1; витяжка підложки hст; насипна товщина порошкового шару h0м. Експерименти були проведені для випадку прокатки порошку бронзографіту з насипною товщиною 4.0 мм на металевій підложці зі сталі 08 кп товщиною 3.5 мм. Ширина композиції, для усіх випадків складала 175 мм. У ході експериментів змінювали кінцеву товщину композиції з 4.5 мм до 3.9 мм, тобто ступінь обтиснення порошкової композиції вар'їрувалася в діапазоні від 75% до 90%.

Порівняння отриманих експериментальних залежностей процесу прокатки двошарової композиції з розрахунковими показало, що погрішність визначення для сили прокатки не перевищила 10.4%, а для результуючих геометричних параметрів - 3.5%. Це вказує на достатній ступінь вірогідності моделювання.

Експериментальні дослідження розподілів нормальних і дотичних контактних напруг були проведені на спеціальній установці для пластичної деформації, що дозволяє моделювати процес прокатки композиційних матеріалів у робочих валках великого діаметру. Порівняльний аналіз теоретичних і експериментальних досліджень показав достатній ступінь вірогідності отриманої чисельної математичної моделі напружено-деформованого стану. При цьому, форма експериментальних розподілів px і tx і якісно, і кількісно відповідала формі отриманих розрахункових розподілів.

Удосконалення технологічних режимів, розробка вихідних даних, створення та удосконалення механічного устаткування для реалізації процесу прокатки багатошарових порошкових листових композицій

На основі результатів чисельної реалізації отриманих математичних моделей були отримані залежності впливу основних технологічних параметрів на основні показники процесу. Зокрема, було встановлено: збільшення товщини м'якої складової в рамках постійних геометричних параметрів приводить до зниження сили і моменту прокатки, при цьому інтенсивність даного зниження може досягати до 50%; ступінь відносного ущільнення для м'якої складової перевищує аналогічний показник для твердої, при цьому зі збільшенням відносної товщини м'якої складової, а також усієї композиції в цілому, ступінь зазначеної невідповідності зростає, що істотно видозмінює результуючі геометричні параметри. Як основні параметри, що забезпечують регулювання результуючих геометричних характеристик і фізико-механічних властивостей одержуваних композицій можуть бути використані співвідношення вихідних товщин і вихідних відносних щільностей, радіуси робочих валків, коефіцієнти зовнішнього тертя, а також ступінь кінематичної асиметрії прокатки. Стосовно прокатки композицій порошок-монометал було встановлено, що збільшення пластичної деформації металевої підложки має місце: при зменшенні результуючих товщин порошкових складових, а також при використанні в якості її матеріалів більш твердих порошків; при збільшенні коефіцієнта зовнішнього тертя з боку монометалевої складової; при реалізації процесу прокатки з переднім і заднім натягом підложки; при збільшенні коефіцієнтів тертя на контакті порошок-монометал, обумовленому використанням додаткового шорсткуватого шару.

Розроблено комплекс програмних засобів з автоматизованого проектування технологічних режимів, що включають призначення точності вихідних товщин і щільності складових композиції, стабільності рівня межі плинності твердої фази ssx і призначенню вимог до умов зовнішнього тертя, що забезпечують необхідні показники якості, а саме співвідношення товщин шарів, а також рівень і ступінь стабільності відносної щільності складових композиції. Розроблено програмний комплекс з оптимізації процесів первинної і вторинної прокатки, що забезпечує досягнення необхідних показників якості готової продукції при одночасному виконанні умови рівності сил прокатки в першому і в других випадках.

На основі результатів чисельної реалізації імітаційної математичної моделі були отримані розподіли коефіцієнтів варіації основних результуючих параметрів при різних умовах реалізації процесу прокатки композиційних матеріалів.

Шляхом чисельної реалізації отриманих математичних і імітаційних моделей були визначені залежності впливу основних конструктивних параметрів, а саме, радіуса робочих валків, жорсткості кліті та радіального биття бочки робочих валків на основні показники якості металовиробів. Було встановлено, що зниження модуля жорсткості робочої кліті сприяє стабілізації рівня відносної щільності складових композиції і знижує вплив биття робочих валків на точність геометричних характеристик.

На основі аналізу розподілів коефіцієнтів варіації результуючих характеристик у залежності від зміни основних конструктивних параметрів механічного устаткування, розроблений комплекс програмних засобів з автоматизованого вибору раціонального значення модуля жорсткості робочої кліті і припустимої величини радіального биття робочих валків, що забезпечують необхідні показники якості. Зроблений автоматизований вибір радіуса робочого валка, що забезпечує реалізацію процесу прокатки двошарової композиції, при збереженні її цілісності. Установлено, що при домінуючому впливі радіального биття варто прагнути до збільшення діаметра робочих валків і зниженню модуля жорсткості робочої кліті.

Були уточнені початкові дані і розроблені рекомендації з проектування устаткування спеціалізованого стану П 400, що забезпечують значне розширення сортаменту і підвищення якості продукції, що виготовляється.

Висновки

1. Використання прокатки багатошарових матеріалів із шарами з порошкових матеріалів дозволяє істотно розширити сортамент, а також одержувати продукцію, що має нові фізико-механічні властивості, які відсутні у традиційних виробів з монометалів. З погляду зниження капітальних витрат доцільним у даному випадку є максимальне спрощення конструкції, а також відповідне переустаткування діючих прокатних станів. Подальше підвищення ефективності промислової реалізації процесу прокатки багатошарових порошкових матеріалів вимагає всебічного дослідженнями його особливостей, розробки комплексу математичних моделей, що дозволяють визначати енергосилові параметри процесу, прогнозувати основні показники якості готової продукції, а також здійснювати автоматизоване проектування технологічних режимів процесу прокатки і конструкцій механічного устаткування прокатних станів.

2. На основі спільного чисельного рішення кінцево-різницевої форми умови статичної рівноваги біпорошкового середовища розроблена математична модель напружено-деформованого стану при прокатці композиції порошок-порошок, що враховує реальний характер розподілів геометричних параметрів, механічних властивостей і умов контактного тертя по довжині осередку деформації.

3. На основі врахування можливості пластичної деформації обох складових уточнена чисельна математична модель процесу прокатки порошкових матеріалів на металевій підложці. Вірогідність отриманої математичної моделі підтверджена експериментально, як з погляду інтегральних, так і локальних характеристик. При цьому було встановлено, що відносна деформація металевої підложки може досягати 20%.

4. Розроблено нову методику з визначення коефіцієнтів умови пластичності, що дозволило розширити сферу використання отриманих математичних моделей на цілий ряд нових матеріалів.

5. З метою зниження трудомісткості проектно-конструкторських і проектно-технологічних робіт на основі чисельних детермінованих математичних моделей і з використанням методу плануємого експерименту отримані регресійні описи основних параметрів різних технологічних схем прокатки порошкових матеріалів, погрішність яких не перевищила 6%.

6. З використанням чисельних математичних моделей і методу Монте- Карло розроблені імітаційні моделі процесу прокатки композицій порошок-порошок і порошок-монометал, що дозволяють на теоретичному рівні прогнозувати результуючі поперечну і подовжню разнотовщинності отриманих композицій і варіації кінцевої відносної щільності порошку в залежності від різних технологічних параметрів.

7. Розроблено програмні засоби з автоматизованого проектування, а також рекомендації з удосконалення технологічних режимів і конструктивних параметрів, що забезпечують розширення сортаменту і підвищення якості композиційних листів і штаб, що отримають.

Основний зміст дисертації відбитий у наступних опублікованих наукових працях

1 Напряженное состояние и кинематика при прокатке порошковых материалов на металлической подложке/ В.Ф. Потапкин, А.Н. Левкин, А.В. Сатонин, С.М. Романов, Ю.А. Воробьев, Э.П. Грибков// Порошковая металлургия. - 2000. - №1/2. - С.13-21.

2 Романов С.М., Воробьев Ю.А., Грибков Э.П. Автоматизированное проектирование технологических режимов процесса первичной и вторичной прокатки порошковых материалов // Сб. науч. ст. - Краматорск: ДГМА. - 1998. - № 4. - С. 95-99.

3 Морозов И.А., Воробьев Ю.А., Грибков Э.П. Точность геометрических характеристик композиционных материалов, полученных на основе процесса прокатки порошков // Сб. науч. ст. - Краматорск: ДГМА. - 1998. - № 4. - С. 100-104.

4 Штибен В.Ф., Воробьев Ю.А., Грибков Э.П. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния при прокатке порошковых материалов на металлической подложке // Сб. науч. ст. - Краматорск: ДГМА. - 1998. - № 4. - С. 123-128.

5 Левкин А.Н., Воробьев Ю.А., Грибков Э.П. Напряженно-деформированное состояние при прокатке порошковых материалов на металлической подложке // Наука, производство, предпринимательство - развитию металлургии. - Донецк: ЛИК. - 1998.-С.146-151.

6 Грибков Э.П., Воробьев Ю.А. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния при прокатке порошковых материалов // Наука, производство, предпринимательство-развитию металлургии. - Донецк: ЛИК. - 1998.-С.151-156.

7 Сатонін О.В., Воробйов Ю.А., Грибков Е.П. Напружно-деформований стан вторинної прокатки порошкових матеріалів на металевій підложці // Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий. - Запорожье: ЗГТУ. - 1998. - С. 280-281.

8 Технология и оборудование для производства композиционных заготовок тяжелонагруженных подшипников скольжения, используемых в металлургическом производстве/ А.В. Cатонин, С.М. Романов, А.Н. Левкин, Ю.А. Воробьев, Э.П. Грибков // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь: ПГТУ. - 1998. - № 3 - С.65-68.

9 Левкин А.Н., Воробьев Ю.А., Грибков Э.П. Напряженно- деформированное состояние при вторичной прокатке порошковых материалов на металлической подложке // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії. - Краматорськ: ДДМА. - 1999. - Вип. 5. - С. 185-186.

10 Грибков Э.П., Воробьев Ю.А., Попик В.Г. Экспериментальный метод для определения физико-механических свойств порошка // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії. - Краматорськ: ДДМА. - 1999. - Вип. 5. - С.226-228.

11 Левкин А.Н., Грибков Э.П., Воробьев Ю.А. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния и геометрических характеристик при реализации процесса прокатки биметаллических порошковых композиций // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії. - Краматорськ: ДДМА. - 2000. - С. 360 - 363.

12 Потапкин В.Ф., Сатонин А.В., Грибков Э.П. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния при прокатке композиционных материалов // Металлургическая и горнорудная промышленность. Труды V международной науч.- техн. конф. “Теоретичні проблеми прокатного виробництва”. - Днепропетровск: НМЕТАУ. - 2000. - С. 72-74.

13 Грибков Э.П., Кулик А.Н. Напряженно-деформированное состояние при прокатке двухслойных порошковых материалов, один слой из которых является монометаллом // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії та машинобудуванні. - Краматорськ-Слов'янськ: ДДМА. - 2000. - С.138-141.

14 Грибков Э.П., Морозов И.А. Математическое моделирование основных показателей качества готовой металлопродукции при прокатке двухслойных порошковых материалов// Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні. - Краматорськ: ДДМА. - 2001. - С.626-628.

15 Одномерное математическое моделирование напряженно- деформированного состояния при прокатке порошковых материалов / В.Ф. Потапкин, А.В. Сатонин, С.М. Романов, В.Ф. Штибен, И.А. Морозов, Ю.А. Воробьев, Э.П. Грибков; Донбас. гос. машиностроит. академия - Краматорск, 1996.- 37с. - Библиогр.: 20 назв. - Рус. - Деп. в УкрИНТЭИ. 25.10.96, №68 - Ук96.

16 Математические модели и программные средства по автоматизированному расчету напряженно-деформированного состояния и основных показателей качества при прокатке порошковых материалов на металлической подложке / В.Ф. Потапкин, А.В. Сатонин, С.М. Романов, В.Ф. Штибен, И.А. Морозов, А.Н. Левкин, Ю.А. Воробьев, Э.П. Грибков; Донбас. гос. машиностроит. академия - Краматорск, 1996.- 44с. - Библиогр.: 20 назв. - Рус. - Деп. в УкрИНТЭИ 25.10.96, №71 - Ук96.

17 Методика и результаты по экспериментальному определению коэффициентов, характеризующих механические свойства порошков/ В.Ф. Потапкин, С.М. Романов, А.В. Сатонин, Ю.А. Воробьев, Э.П. Грибков; Донбас. гос. машиностроит. акад. - Краматорск, 1998. - 23с. - Библиогр.: 17 назв. - Рус. - Деп. в ГНТБ Украины. 19.01.98, №51 - Ук98.

18 Пат. 40142А Україна, МКВ В 22 F3/03. Установка для експериментального визначення фізико-механічних властивостей порошкових матеріалів/ В.Ф. Потапкін, О.М. Лаптєв, О.В. Сатонін, Е.П. Грибков, Ю.А. Воробйов; Донбаська державна машинобудівна академія. - №2000073921; Заявл. 04.07.2000; Опубл. 16.07.2001; Бюл. №6.

Анотація

Грибков Е.П. Удосконалення технологічних режимів та конструктивних параметрів механічного обладнання для виробництва композиційних матеріалів з використанням процесу прокатки порошків. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - Процеси та машини обробки тиском - Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2001.

Дисертація присвячена удосконаленню технологічних режимів виробництва композиційних матеріалів з використанням процесу прокатки порошків і конструктивних параметрів механічного устаткування для його реалізації.

Розроблено детерміновані, регресійні й імітаційні математичні моделі, котрі дозволяють розраховувати основні параметри процесів прокатки композиції порошок- порошок, а також уточнені моделі прокатки композиції порошок- монометал для можливості прогнозування пружної і пластичної деформації монометалевої підложки. За допомогою програмних засобів, розроблених на основі моделей, були визначені раціональні режими та конструктивні параметри обладнання для виробництва композиційних матеріалів з використанням порошків, як з умов забезпечення необхідної геометричної точності та щільності складових, так і з умов нерозшарування композиції.

Ключові слова: композиційний матеріал, металеві порошки, математичне моделювання, напружено-деформований стан, фізико-механічні властивості, показники якості, автоматизоване проектування.

Аннотация

Грибков Э.П. Совершенствование технологических режимов и конструктивных параметров механического оборудования для производства композиционных материалов с использованием процесса прокатки порошков. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением - Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, 2001.

Диссертация посвящена совершенствованию технологических режимов производства композиционных материалов с использованием процесса прокатки порошков и конструктивных параметров механического оборудования для его реализации.

Разработаны детерминированные, регрессионные и имитационные математические модели, позволяющие рассчитывать энергосиловые параметры процессов первичной (уплотняющей) и вторичной (калибрующей) прокатки композиции порошок- порошок, а также уточнены модели для прокатки композиции порошок- монометалл для возможности прогнозирования упругой и пластической деформации монометаллической подложки и межслойных сдвиговых напряжений. Данные модели позволяют также прогнозировать влияние исходных параметров на основные показатели качества готовой металлопродукции. В ходе теоретических исследований выявлено влияние исходных технологических параметров на основные показатели процесса прокатки композиции порошок- порошок. Из анализа полученных распределений установлено: увеличение толщины мягкой составляющей в рамках постоянных геометрических параметров приводит к снижению силы и момента прокатки, при этом интенсивность данного снижения может достигать до 50%; степень относительного уплотнения для мягкой составляющей превышает аналогичный показатель для твердой, при этом с увеличением относительной толщины мягкой составляющей, а также всей композиции в целом степень указанного несоответствия возрастает, что существенно видоизменяет результирующие геометрические параметры. В качестве основных параметров, обеспечивающих регулирование результирующих геометрических характеристик и физико-механических свойств получаемых композиций могут быть использованы соотношения исходных толщин и исходных относительных плотностей, радиусы рабочих валков, коэффициенты внешнего трения, а также степени кинематической асимметрии прокатки. По отношению к прокатке композиций порошок- монометалл было установлено, что увеличение пластической деформации металлической подложки имеет место: при уменьшении результирующих толщин порошковых составляющих, а также при использовании в качестве её материалов более твердых порошков; при увеличении коэффициента внешнего трения со стороны монометаллической составляющей; при реализации процесса прокатки с передним и задним натяжением подложки; при увеличении коэффициентов трения на контакте порошок- монометалл, обусловленном использованием дополнительного шероховатого слоя. Из анализа зависимости изменения коэффициентов вариации показателей качества от изменения коэффициентов вариации исходных технологических параметров установлено, что на вариацию геометрических h1м, h1т и физических g1м показателей качества, а также энергосиловых параметров Р и М основное влияние оказывает величина вариации исходной толщины композиции h0 и исходной плотности g0м, что касается влияния прочих параметров, то их влияние незначительно. Разработанные программные средства расчета и автоматизированного проектирования позволили определить рациональные режимы процесса прокатки композиции как из условия обеспечения требуемых геометрической точности, уровня и степени стабильности физико-механических свойств порошковой составляющей, так и из условия сохранения целостности композиции, а также осуществить автоматизированный выбор требуемого значения модуля жесткости рабочей клети и допустимой величины радиального биения рабочих валков из условия обеспечения требуемых допусков на геометрическую точность готовой металлопродукции и степень стабильности относительной плотности порошкового слоя. Указанное позволило повысить технико-экономические показатели исследуемого процесса.

В результате экспериментальных исследований была разработана методика и установка для определения физико-механических свойств порошковых материалов. В ходе исследований интегральных и локальных характеристик процесса были подтверждены основные гипотезы, использующиеся в рамках разработанных математических моделей.

Разработаны практические рекомендации при проектировании механического оборудования специализированного стана П 400, а также при проектировании технологических режимов прокатки порошка бронзографита на подложке из стали 08кп применительно к изготовлению заготовок вкладышей подшипников скольжения.

Ключевые слова: композиционный материал, металлические порошки, математическое моделирование, напряженно- деформированное состояние, физико-механические свойства, показатели качества, автоматизированное проектирование.

Abstract

Gribkov E.P. Perfection of technological modes and constructive parameters of mechanical equipment for production of composite materials by means of powder rolling. - Manuscript.

Thesis on Competition of a Scientific Degree of the Candidate of Engineering Science on a Specialty 05.03.05 - Processes and Machines of the Pressure Processing- Donbass State Machine- Building academy, Kramatorsk, 2001.

The thesis is devoted to perfecting of technological modes of composite materials production obtained by powder rolling as well the designing data of the machinery for its of realization.

Determined, regression and imitative mathematical models, which allow to predict the main parameters of rolling of a composition material, like the powder - powder composition, as well as to specified modes of composition powder - monometal rolling for a possibility of calculation of an elastic and plastic stress- strain conditions are developed. With the aid of the software developed on the base of the models, were determined rational modes and design data of the equipment for production of composite materials obtained with use of powders aimed at of maintenance of a necessary geometric exactitude and denseness component and unexfoliation of a composition.

Key word: a composite material, metal powders, mathematical simulation, stress-strain conditions, physic and mechanical properties, parameters of quality, automated.

Размещено на Allbest.ru

...