Удосконалення технології радіально-прямого видавлювання деталей зі сферичною порожниною із порошкових пористих заготовок

Размещено на http://allbest.ru

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

УДК 621.762.4

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛеННЯ ТЕХНОЛОГІЇ РАДІАЛЬНО-ПРЯМОГО ВИДАВЛЮВАННЯ ДЕТАЛЕЙ ЗІ СФЕРИЧНОЮ ПОРОЖНИНОЮ ІЗ ПОРОШКОВИХ ПОРИСТИХ ЗАГОТоВок

Спеціальність 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском

Білошицький Микола Володимирович

Луганськ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі «Матеріалознавство» Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (СНУ ім. В.Даля) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:доктор технічних наук, професор Рябічева Людмила Олександрівна, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля (м. Луганськ), завідувач кафедрою «Матеріалознавство»

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, старший науковий співробітник Баглюк Геннадій Анатолійович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича Національної академії наук України (м. Київ), заступник директора з наукової роботи

кандидат технічних наук, доцент Стоянов Олександр Анатолійович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля (м. Луганськ), доцент кафедри «Обробка металів тиском і зварювання»

Захист відбудеться 14 квітня 2011 р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 29.051.02 при Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20-А.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20-А.

Автореферат розісланий « 10 » березня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 29.051.02, д.т.н., професор Ю.І. Гутько

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У сучасних умовах підвищення конкурентоспроможності продукції вітчизняного машинобудування пов'язано з удосконаленням технологій видавлювання для виготовлення біметалічних деталей, які дозволяють одержати вироби високої якості з використанням вторинних ресурсів при мінімальних витратах матеріалів і енергії.

У машинобудуванні застосовується широка номенклатура біметалічних деталей складної форми, що мають бурти, сферичні порожнини, та працюють при повторно-змінних навантаженнях в умовах підвищеного зносу. Зазначену номенклатуру деталей одержують із компактних матеріалів, використовуючи різні види видавлювання. У меншому ступені видавлювання застосовується для одержання деталей з порошкових матеріалів внаслідок наявності залишкової пористості та різнощільності. При цьому відсутні технології видавлювання біметалічних деталей зі сферичними порожнинами, у яких для шару, що плакує, використовується порошок, отриманий з відходів промисловості, зокрема, шліфувальних відходів виробництва автомобільних клапанів, не зважаючи на те, що вмісту дефіцитних хрому, молібдену, нікелю в їхньому складі достатньо для поновлення. Одержання деталей може здійснюватися із застосуванням різних схем деформування за умови вибору оптимальної вихідної форми і пористості заготовок, температури деформування і подальшої термічної обробки. Розробка нових технологічних процесів можлива при подальшому розвитку теорії пластичності пористих тіл стосовно до операцій обробки тиском і використанні порошкових металевих композицій.

Виходячи з вищевикладеного, науково-технічне завдання удосконалення технології радіально-прямого видавлювання високоякісних поковок зі сферичною порожниною і буртом малих розмірів з порошкових матеріалів на підставі теоретичного та експериментального аналізу напружено-деформованого стану, розподілу щільності і температур є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до держбюджетної теми ДН-21-09 «Удосконалення технології точного об'ємного штампування деталей зі складною формою порожнини із порошкових матеріалів» (№ держреєстрації 0109U000070). Тема дисертаційної роботи відповідає науковому напрямку «Створення матеріалів зі спеціальними властивостями і технологій виготовлення виробів з них» Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. Здобувач брав участь у якості виконавця.

Мета та задачі досліджень. Підвищення якості деталей зі сферичною порожниною і малим буртом з біметалічних порошкових матеріалів на основі теоретичного і експериментального аналізу напружено-деформованого стану, температурних полів і щільності при радіально-прямому видавлюванні порошкових пористих заготовок.

Для досягнення зазначеної мети в роботі поставлені наступні задачі:

- удосконалити математичну модель пружно-в'язкопластичного порошкового пористого тіла із застосуванням теорії течії, розробити алгоритм розрахунку напружено-деформованого стану (НДС), розподілу щільності і температур із застосуванням методу скінчених елементів;

- оцінити напружено-деформований стан, розподіл щільності і температур при радіально-прямому видавлюванні поковок зі сферичною порожниною і малим буртом і зрівняти отримані результати з експериментальними даними; установити вплив технологічних і конструкційних параметрів видавлювання на якість виробів;

- виявити технологічність при обробці тиском у порошків, отриманих із шліфувальних відходів виробництва автомобільних клапанів; експериментально визначити вплив гарячого штампування на структуру і механічні властивості отриманої порошкової сталі; дослідити технологію одержання і властивості біметалічного матеріалу зі зносостійким шаром і оцінити якість виробу;

- дослідити радіально-пряме видавлювання поковок зі сферичною порожниною і буртом малих розмірів з біметалічного матеріалу; визначити найбільш раціональну форму та розміри пресовок для виготовлення бездефектних поковок зі сферичною порожниною;

- на основі експериментальних і теоретичних досліджень розробити і впровадити технологічні процеси радіально-прямого видавлювання вісесиметричних поковок із порошкових біметалів зі спеціальними властивостями.

Об'єкт дослідження: технологічні процеси радіально-прямого видавлювання біметалічних порошкових пористих заготовок.

Предмет дослідження: напружено-деформований стан, температурні поля і розподіл щільності при радіально-прямому видавлюванні порошкових пористих заготовок, дефектність і фізико-механічні властивості деталей.

Методи дослідження: теоретичні дослідження напружено-деформованого стану, температурних полів і щільності в об'ємі порошкової пористої заготовки при радіально-прямому видавлюванні засновані на положеннях теорії течії пористих тіл з використанням еліптичної умови пластичності, зміни пористості і теорії теплопровідності. Рішення задач виконано з використанням методу скінчених елементів (МКЕ). Комп'ютерне моделювання радіально-прямого видавлювання виконано з використанням пакета програм скінчено-елементного аналізу LS-DYNA 971.

Експериментальне дослідження деформованого стану виконано методом координатних сіток; вивчення структури біметалу виконано металографічним аналізом; дослідження фізико-механічних та експлуатаційних властивостей порошкових біметалів виконано за стандартними методиками.

Статистичну обробку експериментальних даних і перевірку адекватності математичної моделі досліджуваним процесам виконували відповідно до ГОСТ 8.207-76 за допомогою стандартних пакетів прикладних програм Mathcad 12.0 і STATISTICA 6.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Одержала подальший розвиток математична модель неізотермічної пружно-в'язкопластичної течії порошкового пористого тіла, яка заснована на розв'язанні системи лінійних алгебраїчних рівнянь, три з яких мають сенс рівнянь рівноваги, четверте - рівняння зміни об'єму, що враховує вплив кульового тензора. Модель дозволяє розрахувати НДС, температурні поля і щільність у процесі деформування.

2. Вперше встановлено вплив розмірів полегшуючої порожнини порошкової пористої заготовки на нерівномірність НДС, температурних полів і щільності, який дозволяє визначити найбільш раціональні розміри, що забезпечує виготовлення високоякісних поковок зі сферичною порожниною і буртом.

3. Вперше встановлено вплив вихідної пористості заготовки на розподіл щільності в деталях, які мають малий бурт, що дозволяє визначити вихідну пористість заготовки для видавлювання поковок із рівнощільними буртами різних розмірів.

4. Встановлено закономірності впливу вихідної різнопористості шарів біметалічного порошкового матеріалу на ступінь консолідації часток при гарячому штампуванні, що використано при розробці методики розрахунку заготовки для видавлювання.

Практичне значення отриманих результатів. На основі досліджень НДС, температурних полів і щільності при радіально-прямому видавлюванні розширена номенклатура поковок, одержуваних обробкою тиском порошкових пористих заготовок. При розробці технологічного процесу видавлювання для виготовлення деталей зі сферичною порожниною, центральним отвором і буртом малих розмірів рекомендовано використання порошкової пористої заготовки з полегшуючою порожниною. Запропоновано методику розрахунку форми і розмірів заготовки з полегшуючою порожниною з урахуванням радіуса порожнини, що видавлюється, і розмірів бурту. Як зносостійкий матеріал запропонована порошкова сталь П80Х9С2М, отримана зі шліфувальних відходів.

В умовах лабораторії кафедри «Матеріалознавство» отримані дослідні партії деталей «шворінь» і «підп'ятник» у кількості 80 шт. з біметалічного порошкового матеріалу. Дослідна партія деталей пройшла випробування в умовах автомобільного парку СНУ ім. В. Даля і автобази КП «Луганська обласна «Фармація». Економічний ефект, що очікується від впровадження розроблених технологій в порівнянні з обробкою різанням, складає 568,8 тис. грн. при виробництві 80000 деталей.

Основні результати роботи використані в навчальному процесі при читанні дисциплін спеціальності «Композиційні та порошкові матеріали, покриття»: «Механіка та технологія композиційних та порошкових матеріалів», «Технологія отримання порошкових виробів».

Особистий внесок здобувача. Розроблено установки для експериментальних досліджень, виконано теоретичні і експериментальні дослідження процесу деформування пористих тіл, досліджено фізико-механічні властивості, проведена статистична обробка експериментальних даних. Розроблено технологічні процеси виготовлення деталей зі сферичною порожниною і буртом малих розмірів з порошкового матеріалу.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати досліджень повідомлені і обговорені на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (2004-2010, м. Луганськ, Україна); Бернштейновских чтениях по термомеханической обработке металлических материалов (2004, м. Москва, Росія); 4-ій міжнародної конференції «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизация изделий» (2006, м. Велика Ялта, Жуковка, Автономна республіка Крим); на міжнародній науково-технічній конференції «Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов» (2007, м. Санкт-Петербург, Росія); міжнародній науково-практичній конференції «Теоретичні і експериментальні дослідження в технологіях сучасного матеріалознавства та машинобудування» (2007, м. Луцьк, Україна); International Industrial Conference MTM 2007 (2007, Sofia, Bulgaria); V International Congress «Machines, Technologies, Materials» MTM'09 (2009, Sofia, Bulgaria).

Публікації. Основні результати виконаних досліджень опубліковані в 14 друкованих працях, з них 12 у збірниках наукових праць і журналах, що входять у перелік спеціалізованих видань ВАК України, і 4 патентах України.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних виводів та додатків. Загальний обсяг роботи 225 сторінок машинописного тексту, у тому числі основного тексту 160 сторінок, 81 рисунок, 30 таблиць, 4 додатки і список використаних джерел з 170 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, а також особистий внесок здобувача, результати апробації і впровадження.

Перший розділ присвячено аналізу розвитку і застосування видавлювання для виготовлення виробів машинобудування з біметалічних матеріалів. Представлено характеристику біметалічних деталей, використовуваних практично у всіх галузях машинобудування. Показано застосування чисельних і експериментальних методів, що дозволяють проаналізувати напружено-деформований стан у процесі видавлювання, виявити причини виникнення дефектів, визначити заходи для їхнього усунення, спроектувати форму вихідної заготовки, розрахувати її розміри і визначити силу видавлювання.

Показано, що для опису процесів деформування порошкових пористих тіл застосовують різні моделі пластичної течії. Основний внесок у розвиток теорії пластичності пористих тіл внесли В.В. Скороход, Р. Грін, В.Е. Перельман, Я.Ю. Бейгельзімер, В.А. Друянов, Г.Л. Петросян, М.Б. Штерн, О.В. Сатонін, І.О. Сівак, а також у розвиток експериментальних досліджень внесли Г.А. Баглюк, О.М. Лаптєв, Л.О. Рябічева, В.Д. Рудь, В.З. Мідуков та ін.

Встановлено різні механізми утворення біметалу і методи оцінки якості біметалічного з'єднання. сталь жароміцний штампування

Показано, що для шару, що плакує, не використовуються порошки, отримані з відходів промисловості, які містять дефіцитні і дорогі хром, молібден, нікель, незважаючи на те, що вміст хімічних елементів у складі більшої частини промислових відходів достатній для поновлення.

Одержання деталей складної конфігурації видавлюванням порошкових матеріалів застосовується в меншому ступені, ніж компактних матеріалів, внаслідок наявності залишкової пористості і різнощільності.

На підставі аналізу питання по розвитку і застосуванню видавлювання для виготовлення біметалічних деталей машинобудування в роботі сформульовані мета і задачі дослідження.

Другий розділ присвячений вибору методів теоретичних і експериментальних досліджень радіально-прямого видавлювання виробів з порошкових матеріалів.

Для аналізу НДС, температурних полів і щільності використана математична постановка задачі неізотермічної пружно-в'язкопластичної течії, орієнтована на рішення задач радіально-прямого видавлювання. В умовах пружно-в'язкопластичної течії швидкість деформації представлена у вигляді трьох складових: швидкостей пружної , пластичної та температурної деформацій :

	(1)

Використано зв'язок між гідростатичним тиском і об'ємною деформацією, що встановлюється модулем об'ємної пружності. Вираз для збільшення пластичних деформацій визначається на основі асоційованого закону течії, з якого випливає пропорційність девіаторів напружень і приростів пластичних деформацій. Для компонентів девіаторів маємо:

,	(2)

де - множник Лагранжа.

Фізично нелінійна задача розкривається в ході ітераційного процесу. Невизначений коефіцієнт множника Лагранжа, що має фізичний зміст коефіцієнта в'язкості, підбирається так, щоб задовольнити умову пластичності.

Порошкові пористі матеріали деформуються під дією гідростатичного тиску з необоротною зміною об'єму, збільшуючи щільність за рахунок зменшення об'єму пор. Використовується умова пластичності у формі Губера-Мізеса, у якому є невизначений коефіцієнт, що зв'язує компоненти девіаторів напружень і швидкостей деформацій, і вводиться ще один невизначений коефіцієнт, що зв'язує компоненти кульової частини тензора напружень і швидкостей деформацій. Швидкість пластичної деформації виражається з асоційованого закону течії при еліптичній умові пластичності.

Математична постановка задачі формозміни порошкового пористого тіла базується на одному з диференціальних варіаційних принципів механіки - початку віртуальних швидкостей. Для будь-якого кінематично можливого поля швидкостей у довільний момент часу справедлива умова рівності потужностей внутрішніх і зовнішніх сил:

	(3)

де - компоненти тензора напружень;

- компоненти тензора швидкостей деформацій;

- компоненти зовнішніх сил на поверхні .

Відповідно до основних положень теорії в'язкопластичної течії напруження можна представити як суму девіаторної і кульової частини тензора напружень:

	(4)

Потужність внутрішніх сил може бути представлена функціоналом виду:

	(5)

Оскільки , вираз (3) має вигляд:

	(6)

Ліва частина рівняння (6) включає компоненти потужностей зміни форми і зміни об'єму. Для компактних матеріалів потужність, що витрачається на зміну об'єму, являє собою потужність пружних деформацій. Для матеріалів, що ущільнюються, сюди входить потужність, яка витрачається на необоротні деформації.

Відповідно до концепції методу скінчених елементів розв'язна система рівнянь являє собою систему лінійних алгебраїчних рівнянь, три з яких мають сенс рівнянь рівноваги у вузловій точці сітки, четверте - рівняння зміни об'єму для матеріалів, що ущільнюються. Тому матриця жорсткості має в четвертому стовпці компоненти, які враховують зміну об'єму.

Описано алгоритм рішення задачі пружно-в'язкопластичної течії матеріалу, що ущільнюється. Граничні умови формуються у вигляді:

,	(7)

де - компоненти вектора швидкостей;

- нормальна складова швидкості інструмента;

- компоненти одиничного вектора, що збігає з напрямком зовнішньої нормалі до поверхні ковзання;

- компоненти одиничного вектора, дотичного до поверхні і спрямованого убік, протилежний напрямку вектора швидкості відносного ковзання металу по інструменту ;

- розподілені дотичні сили на поверхні контакту, обумовлені за законом тертя.

Сила тертя як гранична умова формується в ході ітераційного процесу. На перших стадіях ітерація виконується без урахування сил тертя. При цьому формується перше наближення поля швидкостей і контактних напружень. При заданому коефіцієнті тертя (напрямки переміщення уздовж контактної поверхні) умова свідчить про доцільність відмови від моделі тертя за Кулоном і переходу до умови Прандтля . Умова зміни напрямку переміщення уздовж контактної поверхні повинна привести до заміни граничних умов ковзання на умову прилипання. Граничні умови змішаного типу дозволяють досліджувати реальні поля швидкостей течії з урахуванням відриву металу від стінок інструмента і виходу металу на контактну поверхню.

Для оцінки щільності використано кінетичне рівняння зміни пористості в процесі радіально-прямого видавлювання в'язко-пластичного тіла з урахуванням граничних умов:

,	(8)

де - інтенсивність швидкостей деформації зсуву;

- поточне нормальне напруження;

- інтенсивність напружень зсуву;

- функції пористості.

Відповідно до граничних умов: у початковий момент часу пористість дорівнює своєму початковому значенню, при закінченні видавлювання пористість дорівнює нулю. Величина пористості визначається в кожному вузлі сітки скінчених елементів при розрахунку етапу навантаження.

Для оцінки температурних полів використане диференційне рівняння теплопровідності Фур'є із граничними умовами третього роду. При цьому моделювання теплових процесів зводиться до мінімізації функціонала теплопровідності на кожному етапі навантаження наступного виду:



.	(9)

Граничні умови третього роду на поверхні пресовки:

.	(10)

де - температура навколишнього середовища і пресовки, відповідно;

- коефіцієнт тепловіддачі;

- коефіцієнт теплопровідності;

- градієнт температур.

Для експериментальних досліджень у якості основи, що плакується, обраний порошок ПЖ4М2, як плакуючий шар - П80Х9С2М. Представлені технології одержання порошку з відходів виробництва і технології виготовлення порошкових пористих заготовок, методика технологічного процесу радіально-прямого видавлювання.

Визначено методику для дослідження структури, фізико-механічних і експлуатаційних властивостей.

Третій розділ присвячений комп'ютерному моделюванню напружено-деформованого стану, температурних полів і щільності при радіально-прямому видавлюванні поковок зі сферичною порожниною і малим буртом. Прийнято, що малим буртом є бурт, ширина якого менше висоти або діаметр бурту становить 1,1-1,3 зовнішнього діаметру деталі.

Встановлено, що нерівномірність НДС і температурного поля поковки в процесі видавлювання циліндричної пресовки з отвором створює умови для утворення утяжини на відстані 2-3 мм від крайки отвору в перерізі ОС (рис. 1,а), що поступово переходить у складку і далі в простріл.

У шарах металу, що примикають до поверхні складки, інтенсивність напружень висока і приблизно відповідає інтенсивності напружень на нижній крайці поверхні сферичної порожнини, що є причиною затягування поверхневих шарів металу усередину в процесі формування утяжини (рис. 1,б). Нерівномірність НДС є причиною значної нерівномірності температурного поля і щільності, що коливається в межах 7,68-7,00 г/см³.

а	б

Рис. 1. Перетини зразка для аналізу напружено-деформованого стану - а, напружений стан у процесі еволюції складки - б

Для зменшення нерівномірності НДС виконано моделювання видавлювання зразка з полегшуючою порожниною, що має форму усіченого конуса, висота порожнини дорівнює радіусу сфери, кут нахилу утворюючої конуса 15, 30? і 40? (рис. 2,а).

Отримане зменшення інтенсивності напружень, деформацій і швидкостей деформацій у трьох перетинах зразка з ростом кута нахилу утворюючої конуса.

а	б

Рис. 2. Креслення пресовки - а, розподіл інтенсивності напружень при видавлюванні ( = 40?) - б: 1 - перетин ОА; 2 - перетин ОВ; 3 - перетин ОС - б

Найбільша інтенсивність напружень при =40? досягнута в поверхневому шарі в області переходу сферичної поверхні в отвір. Нерівномірність НДС зменшується, про що свідчить зміна коефіцієнта нерівномірності деформації.

При куті нахилу утворюючої конуса більше 40? спостерігається збільшення інтенсивності напружень (рис. 3).

Рис. 3. Залежність найбільшої інтенсивності напружень від кута і радіуса порожнини що видавлюється : 1 - = 16 мм; 2 - = 14 мм; 3 - = 12 мм; 4 - = 10 мм; 5 - = 8 мм; 6 - = 6 мм

При видавлюванні поковок із відношенням =1,1-1,2 інтенсивності напружень досягають мінімуму при кутах нахилу утворюючої в межах 30?-40?, причому зі збільшенням радіуса , наближається до 40?, а зі зменшенням кут наближається до 30?. Це означає, що область раціональних значень перебуває в межах 30-40?.

Збільшення рівномірності НДС при використанні пресовки з полегшуючою порожниною з кутом нахилу утворюючої 30? і 40? дозволило одержати і більш рівномірне температурне поле по перетину поковки, що також позначилося на розподілу щільності.

Дослідження розподілу щільності по бурту при видавлюванні поковок зі співвідношенням 1,1; 1,2; 1,3, отриманих із пресовок різної пористості з полегшуючою порожниною і без, показало можливість виготовлення виробів з 1,1; 1,2 із пресовок пористістю 15%. Щільність становить 7,79-7,83 г/см³. Поковки з 1,3 можна одержати тільки із пресовок пористістю 10%. Щільність становить 7,79-7,81 г/см³.

Встановлено вплив розмірів полегшуючої порожнини і вихідного положення пресовки на нерівномірність НДС. Найбільш раціональна відстань між верхнім торцем пресовки і площиною рознімання штампа дорівнює висоті бурту. Співвідношення діаметра сферичної порожнини і діаметра отвору повинно становити не більше 3,5. Подальше збільшення його обмежене міцностними властивостями штампової сталі.

Рекомендовано вираз для визначення сили видавлювання з урахуванням використання інтенсивності напружень:

.	(11)

Результати розрахунків сили видавлювання за пропонованою формулою (11), формулами відомих авторів і отримані експериментально дають відносну погрішність 9-15%.

Четвертий розділ присвячений експериментальному дослідженню технології радіально-прямого видавлювання деталей з біметалічного порошкового матеріалу. Для використання в якості зносостійкого шару розроблено технологію одержання порошку із шліфувальних відходів сталі 40Х10С2М, що складається з попереднього промивання сполученого з диспергуванням шламу, чистового промивання, сушіння, сепарації і відновлювального відпалу. Найбільш високі властивості має порошок, отриманий при диспергуванні на початковій стадії промивання відходів протягом 1 год., температурі відпалу - 990-1000?С у середовищі генераторного газу протягом 2 год. з додаванням 1% ПВС. Насипна щільність склала 2,2 г/см³, щільність утряски 2,8 г/см³, кут природного укосу 28?, осьова пружна післядія 0,3-0,6, максимальна щільність пресовок досягала 5,8 г/см³.

Найкращими механічними властивостями і зносостійкістю володіють пресовки щільністю 5,8 г/см³, отримані гарячим штампуванням зі сталі ПК80Х9С2М-7,4: твердість HRC 58, границя міцності при згині 1530 МПа, ударна в'язкість 110 кДж/м², зносостійкість при обмеженій подачі змащення - лінійний знос зразка 1,65 нм/м і максимальне навантаження до схоплювання 13,0 МПа. Ці дані дозволили рекомендувати порошок П80Х9С2М для зносостійкого плакуючого шару біметалічних деталей. Експериментально встановлено, що для одержання компактного матеріалу при штампуванні пористість плакуючого шару і матеріалу основи повинна відрізнятися в межах 5-7% внаслідок розходження їхніх фізико-механічних властивостей.

Результати моделювання радіально-прямого видавлювання перевірено експериментально. Використовували три типа біметалічних пресовок: составної, без полегшуючої порожнини і з полегшуючою порожниною з пористістю шару, що плакується, 10% і 15%. Розроблено методику розрахунку розмірів порожнини під засипання плакуючого порошку з урахуванням товщини і рівномірності розподілу зносостійкого шару. Для підтвердження результатів теоретичних досліджень НДС кут нахилу утворюючої конуса полегшуючої порожнини для формоутворення зразка зі сферичною порожниною обраний рівним 36?, висота порожнини - 6 мм.

Експериментальне дослідження НДС підтвердило, що виготовлення якісних зразків при співвідношенні = 1,3 можливо тільки із пресовок з вихідною пористістю 10%. Розподіл щільності по бурту склав 7,76-7,79 г/см³. Для зразків зі співвідношенням = 1,1 і 1,2 достатньо застосовувати пресовки з вихідною пористістю 15%. Розподіл щільності склав 7,77-7,79 г/см³ (рис. 4).

а	б

Рис. 4. Розподіл інтенсивності деформації по бурту, отриманий

комп'ютерним моделюванням - а, експериментально - б:

1 - 15%; 2 - 10%, = 1,3; 3 - 15%.; 4 - 10%, = 1,1

Рекомендовано технологічний процес радіально-прямого видавлювання поковок зі сферичною порожниною і буртом малих розмірів: пресування заготовок із полегшуючою порожниною, що має кут нахилу утворюючої конуса в межах 30-40?, нагрів до температури 1100?С, радіально-пряме видавлювання, охолодження в маслі і наступний відпуск при температурі 400?С.

У п'ятому розділі представлені технологічні процеси виготовлення біметалічних деталей «шворінь» і «підп'ятник» вузла автомобіля «опора кульова». Основа деталей, що плакується, отримана зі сталі ПК40, зносостійкий плакуючий шар із ПК80Х9С2М-7,4. Видавлювання здійснювали в спеціально спроектованому і виготовленому штампі зі змінним деформуючим інструментом. Розроблені режими видавлювання забезпечують одержання високоякісних деталей з розмірами і фізико-механічними властивостями, регламентованими кресленнями. Отримана дослідна партія деталей «шворінь» та «підп'ятник», яка пройшла випробування в умовах автомобільного парку СНУ ім. В. Даля і автобази КП «Луганська обласна «Фармація». Результати роботи використані в навчальному процесі при читанні дисциплін спеціальності «Композиційні та порошкові матеріали, покриття»: «Механіка і технологія композиційних та порошкових матеріалів», «Технологія отримання порошкових виробів».

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертації вирішена актуальна науково-технічна задача удосконалення технології радіально-прямого видавлювання високоякісних поковок зі сферичною порожниною і буртом малих розмірів із порошкових матеріалів на підставі теоретичного і експериментального аналізу напружено-деформованого стану, розподілу щільності і температур.

1. Аналіз сучасного стану теоретичних і експериментальних досліджень показав, що для виготовлення біметалічних деталей складної форми з компактних матеріалів використовуються різні види видавлювання, що визначаються формою і розмірами деталі. У той же час обмежене застосування різних видів видавлювання для виготовлення складних деталей із біметалічних порошкових матеріалів.

2. Для оцінки НДС, температурних полів і щільності одержала подальший розвиток математична модель неізотермічної пружно-в'язкопластичної течії, яка заснована на визначальних рівняннях теорії течії. Розроблено алгоритм розрахунку НДС, що полягає в завданні на першому кроці розрахунку початкових значень двох параметрів, що зв'язують напружений і деформований стан: коефіцієнта пропорційності девіаторів напружень і швидкостей деформації та модуля об'ємної деформації з наступним їхнім уточненням при рішенні рівнянь рівноваги і умови зміни об'єму з урахуванням граничних умов змішаного виду. Для оцінки щільності використано кінетичне рівняння зміни пористості. Оцінка температурних полів виконана шляхом рішення диференціального рівняння теплопровідності з урахуванням граничних умов третього роду.

3. Моделюванням установлено, що радіально-пряме видавлювання пресовок без полегшуючої порожнини характеризується високою нерівномірністю НДС, температурних полів і щільності, що приводить до утворення дефектів у поковці. При видавлюванні з полегшуючою порожниною в пресовці, що має кут нахилу утворюючої конуса в межах 30-40?, отримано зменшення нерівномірності НДС, температурних полів і щільності, що забезпечує виготовлення якісних поковок. Результати моделювання підтверджені експериментально з відносною погрішністю 9-15%.

4. Моделюванням установлено і експериментально підтверджено, що найбільша щільність 7,80-7,83 г/см³ і рівнощільність по об'єму бурту отримана в поковках із відношенням =1,1-1,2 при видавлюванні із пресовок пористістю 15% з полегшуючою порожниною, що має кут нахилу утворюючої конуса 30-40?. Поковки з відношенням =1,3 щільністю 7,79-7,81 г/см³ отримані із пресовок з полегшуючою порожниною, що має той же кут нахилу утворюючої конуса і пористість 10%.

5. Визначено вплив розмірів полегшуючої порожнини і положення вихідної пресовки в матриці на характер НДС. Встановлена найбільш раціональна висота полегшуючої порожнини, яка дорівнює 60% її радіуса. Отримано раціональну відстань між верхнім торцем пресовки і площиною рознімання штампа, яка дорівнює висоті бурту поковки. Встановлено вплив відношення діаметра сферичної порожнини до діаметра отвору в поковці на якість деталі при радіально-прямому видавлюванні пористої пресовки. При куті нахилу утворюючої сферичної порожнини 40? і висоті порожнини рівної 60% її радіуса співвідношення діаметра сферичної порожнини до діаметра отвору становить 3,5. Його подальше збільшення обмежене міцностними властивостями штампової сталі.

6. На основі отриманого моделюванням розподілу інтенсивності напружень на поверхні контакту пресовка - інструмент запропоновано вираз для визначення сили видавлювання з урахуванням розмірів, кута нахилу утворюючої полегшуючої порожнини і відносної щільності. Значення сили видавлювання підтверджено експериментально. Для порівняння виконано розрахунок сили видавлювання за формулами різних авторів. Відносна погрішність склала 9-15%.

7. Розроблено технологію одержання порошку П80Х9С2М зі шліфувальних відходів жароміцної сталі 40Х10С2М. Визначені оптимальний час диспергування на початковій стадії промивання - 1 год., температура відпалу - 990-1000?С у середовищі генераторного газу протягом 2 год. Отримані найбільш високі властивості порошку з додаванням 1% ПВС: насипна щільність 2,2 г/см³, щільність утрясання 2,8 г/см³, кут природного укосу 28?, пружна післядія 1-1,5%, максимальна щільність пресовок 5,8 г/см³.

8. Встановлено вплив вихідної щільності пресовок і температури штампування в інтервалі 1150-950?С на механічні властивості сталі ПК80Х9С2М-7,4. Максимальна щільність 7,11 г/см³ отримана при температурі штампування 1100?С. Визначена температура відпуску - 400?С. Механічні властивості сталі: твердість HRC 58, границя міцності при згині 1530 МПа, ударна в'язкість 110 кДж/м², зносостійкість при обмеженій подачі змащення - лінійний знос зразка 1,65 нм/м і максимальне навантаження до схоплювання 13,0 МПа.

9. Визначено вплив гарячого штампування на ступінь адгезії біметалічного зразка, який має основу, що плакується, з порошку ПЖ4М2 і плакуючий шар - з порошку П80Х9С2М. При вертикальному розташуванні шарів для одержання високощільного зразка з границею міцності при розтязі 475 МПа необхідна пористість основи, що плакується, 12%, плакуючого шару - 21%. При горизонтальному розташуванні шарів з межею міцності зразка на зріз 320 МПа необхідна попереднє підпресування основи, що плакується, до пористості 60%, засипання порошку, що плакує, і остаточне пресування до тієї ж пористості. Після штампування і відпуску при 400?С отримана пористість основи, що плакується, 2%, шару, що плакує, 4%. Отримані дані використані при розробці вихідної пресовки для видавлювання поковки.

10. На підставі теоретичних і експериментальних досліджень розроблені технологічні процеси виготовлення біметалічних деталей «шворінь» і «підп'ятник» зі сферичною порожниною, що включають операції: холодне пресування порошкової пористої заготовки, нагрів до температури 1100°С, видавлювання, відпуск при 400°С. Отримано якісні деталі з рівномірно розподіленою щільністю. Розроблена технологія виготовлення деталі «шворінь» дозволяє зекономити 38,8 кг сталі 45 при виготовленні 100 комплектів деталей (400 одиниць). Застосування технології для виготовлення деталі «підп'ятник» забезпечує економію 40 кг сталі 45 при виготовленні 100 комплектів деталей (400 одиниць).

В лабораторії кафедри «Матеріалознавство» отримані дослідні партії деталей у кількості 80 шт., які пройшли випробування в умовах автомобільного парку СНУ ім. В.Даля і автобази КП «Луганська обласна «Фармація». Результати роботи використані в навчальному процесі при читанні дисциплін спеціальності «Композиційні та порошкові матеріали, покриття»: «Механіка і технологія композиційних та порошкових матеріалів», «Технологія отримання порошкових виробів». Економічний ефект, що очікується від впровадження розроблених технологій в порівнянні з обробкою різанням, складає 568,8 тис. грн. при виробництві 80000 деталей.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Цыркин А. Т. Малогабаритная установка для получения синтез-газа /А. Т. Цыркин, Ю. Н. Никитин, Н. В. Белошицкий, А. В. Коваливский // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні : зб. наук. пр. - Луганськ : Вид-во СНУ, 2004. - С. 115-120.

2. Рябичева Л. А. Экспериментальное исследование подготовки и прессования металлоабразивного шлама стали 40Х10С2М / Л. А. Рябичева, А. П. Скляр, Н. В. Белошицкий // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: зб. наук. пр. - Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2005. - С. 67-72.

3. Рябичева Л. А. Технология получения порошка из шлифовального шлама стали 40Х10С2М и его технологические свойства / Л. А. Рябичева, А. Т. Цыркин, Н. В. Белошицкий // Металлообработка. - 2007. - № 1. - С. 34-37.

4. Рябичева Л. А. Свойства порошка, полученного из шлифовального шлама стали 40Х10С2М / Л. А. Рябичева, А. Т. Цыркин, Н. В. Белошицкий // Порошковая металлургия. - 2007. - №5/6. - С. 111-117.

5. Рябичева Л. А. Экспериментальное исследование технологии изготовления деталей со сферической полостью / Л. А. Рябичева, Д.А. Усатюк, Н.В. Белошицкий // Вісн. Східноукр. націон. ун-ту. - 2008. - №3 , Ч.2. - С. 144-149.

6. Рябичева Л.А. Моделирование горячего выдавливания детали со сферической полостью из порошковой стали / Л.А. Рябичева, Д.А. Усатюк, Н.В. Белошицкий // Обработка материалов давлением: Сб.науч. тр. - Краматорськ, 2008. - №1 (19). - С. 72-76.

7. Белошицкий Н. В. Горячее выдавливание детали «опора шаровая» с износостойким слоем / Н. В. Белошицкий // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: зб. наук. праць. - Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2009. - С. 53-59.

8. Белошицкий Н. В. Горячее выдавливание детали автомобиля «подпятник» из порошковых материалов / Н. В. Белошицкий // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: зб. наук. праць. - Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2010. - С. 78-85.

9. Рябичева Л.А. Получение порошка из металлоабразивного шлама стали 40Х10С2М и исследование его прессуемости / Л.А. Рябичева, Н.В. Белошицкий // Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов: Москва, МИСиС. - 2004. - С. 48.

10. Рябичева Л.А. Технологии получения конструкционных порошковых материалов из отходов промышленности / Л.А. Рябичева, А.Т. Цыркин, Ю.Н. Никитин, Н.В. Белошицкий // Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизация изделий: Четвертая международная конференция: Большая Ялта, Жуковка, Автономная республика Крым, 2006. - С. 145.

11. Ryabicheva L.A. Wastes of industry - source of raw materials for powder metallurgy / L.A. Ryabicheva, Yu.N. Nikitin, N.V. Beloshitskij, A.G. Baranov // MTM2007 International Industrial Conference Proceedings, Sofia, Bulgaria, 2007. - Р. 1543-1545.

12. Рябичева Л.А. Порошковая сталь, полученная переработкой шлифовального шлама / Л.А. Рябичева, А.Т. Цыркин, Н. В. Белошицкий // Теоретичні і експериментальні дослідження в технологіях сучасного матеріалознавства та машинобудування. Луцьк. -2007. - С. 33-38.

13. Рябичева Л.А. Технологии получения порошковых деталей из отходов промышленности / Л.А. Рябичева, Ю.Н. Никитин, Н.В. Белошицкий, А.Г. Баранов, О. П. Гапонова // Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. - 2007. - С. 134-142.

14. Ryabicheva L. The technology of production of high-density copper from porous fibrous billet / L. Ryabicheva, D. Usatyuk, Y. Nikitin, N. Beloshitskij // V International Congress “Machines, Technologies, Materials” MTM'09 Proceedings, Sofia, Bulgaria, 2009. - P.126-130.

15. Пат. 15119 Україна, МПК В22F 3/10. Спосіб одержання металевого порошку із шліфувальних шламів / Рябічева Л. О., Білошицький М. В., Циркін А. Т., Фоменко С. О.; заявник та власник Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля. - № 200512058; заявл. 15.12.2005; опубл. 15.06. 2006, Бюл. №6.

16. Пат. 11201 А Україна, МПК 7С10J3/18, C10H1/100. Газогенератор / Циркін А. Т., Ковалівський О. В., Білошицький М. В., Никитін Ю. М., Стафєєв О. І.; заявник та власник Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля. - №200505378; заявл. 06.06.05; опубл. 15.12.05, Бюл. №12.

17. Пат. №37420. Україна, МПК В22F 3/14 Спосіб виготовлення порошкових біметалічних виробів зі зносостійким шаром / Рябічева Л. О., Циркін А. Т., Білошицький М. В., Вовк А. І.; заявник та власник Східноукраїнський національний університет імені В. Даля. - № u200808364; заявл. 23.06.08; опубл. 25.11.08, Бюл. №22.

18. Пат. 27374 Україна, МПК 22F 3/14, C10H1/00. Штамп для гарячого штампування порошкових деталей / Рябічева Л. О., Білошицький М. В., Кузьменко О. М., Циркін А. Т.; заявник та патентообладач СНУ ім. В. Даля. - № 200707333; заявл. 02. 07.07; опубл. 25.10.07, Бюл. №17.

Особистий внесок здобувача в опублікованих у співавторстві роботах:

[2]-[4], [10]-[15] - виконано експеримент з підготовки та пресування відходів промисловості, визначено технологічні, реологічні та фізичні властивості отриманого порошку; [1], [16] - проведено експериментальні дослідження, виконано аналіз вхідних і вихідних параметрів установки; [5]-[9] - розроблено технологію та визначено параметри видавлювання; [17], [18] - спроектовано та розраховано штамп.

АНОТАЦІЯ

Білошицький М.В. Удосконалення технології радіально-прямого видавлювання деталей зі сферичною порожниною із порошкових пористих заготовок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - Процеси та машини обробки тиском. - Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2010.

Дисертаційна робота присвячена рішенню актуальної науково-технічної задачі удосконалення технології радіально-прямого видавлювання високоякісних поковок зі сферичною порожниною і буртом малих розмірів із порошкових матеріалів на підставі теоретичного і експериментального аналізу напружено-деформованого стану, розподілу щільності і температур.

Розроблено математичну модель неізотермічного пружно-в'язкопластичної течії, що дозволяє оцінити напружено-деформований стан, розподіл температурних полів і щільності по перетину поковки.

Моделюванням встановлено і експериментально підтверджено вплив вихідної пористості пресовки на якість і рівнощільність по об'єму бурту поковки.

Визначено вплив умов деформування на напружено-деформований стан поковок. Запропоновано вираз для визначення сили видавлювання.

Розроблено технологію одержання порошку П80Х9С2М із шліфувальних відходів жароміцної сталі 40Х10С2М.

Встановлено вплив вихідної щільності пресовок і температури штампування на механічні властивості сталі ПК80Х9С2М-7,4.

Визначено вплив вихідної різнощільності шарів при гарячому штампуванні на ступінь адгезії біметалічного зразка.

Розроблені технологічні процеси виготовлення біметалічних деталей «шворінь» і «підп'ятник» зі сферичною порожниною.

Деталі, виготовлені згідно з розробленою технологією, пройшли випробування на автомобільних підприємствах.

Ключові слова: пористе тіло, пружно-в'язкопластична течія, інтенсивність напружень, деформацій, швидкостей деформацій, температурне поле, щільність, зносостійкий плакуючий шар, полегшуюча порожнина.

АНнотация

Белошицкий Н.В. Совершенствование технологии радиально-прямого выдавливания деталей со сферической полостью из порошковых пористых заготовок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением. - Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2010.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научно-технической задачи совершенствования технологии радиально-прямого выдавливания высококачественных поковок со сферической полостью и буртом малых размеров из порошковых материалов на основании теоретического и экспериментального анализа напряженно-деформированного состояния, распределения плотности и температур.

Разработана математическая модель неизотермического упруго-вязкопластического течения, которая позволяет оценить напряженно-деформированное состояние, распределение температурных полей и плотности.

Моделированием установлено и экспериментально подтверждено влияние исходной пористости прессовки на качество и равноплотность по объему бурта поковки.

Определена оптимальная пористость прессовки при выдавливании бурта разных размеров.

Установлено влияние условий деформирования на напряженно-деформированное состояние. Предложено выражение для расчета силы выдавливания.

Разработана технология получения порошка ПК80Х9С2М из шлифовальных отходов жаропрочной стали 40Х10С2М.

Установлено влияние исходной плотности прессовок и температуры штамповки на механические свойства стали ПК80Х9С2М-7,4.

Определено влияние исходной разноплотности слоев при горячей штамповке на степень адгезии биметаллического образца.

Разработаны технологические процессы изготовления биметаллических деталей «шкворень» и «подпятник» со сферической полостью, которые прошли испытания на автомобильных предприятиях.

Ключевые слова: пористое тело, упруго-вязкопластическое течение, интенсивность напряжений, деформаций, скоростей деформаций, температурное поле, плотность, износостойкий плакирующий слой, облегчающая полость.

ABSTRACT

Beloshitskij N.V. Improvement of the technology of radial-direct extrusion of details with spherical cavity from powder porous billets. - The manuscript.

The dissertation is the manuscript on competition of a scientific degree of Candidate of Technical Sciences on the speciality 05.03.05 - processes and machines for pressure shaping.

Volodymyr Dahl East Ukrainian National University, Lugansk, 2010.

The dissertation is devoted to solving of actual scientific and technical task of improvement the technology of radial-direct extrusion of high-quality forged pieces with spherical cavity and low-sized collar from powder materials on the basis of theoretical and experimental analysis of stress-strain state, distribution of density and temperatures.

The mathematical model of non-isothermal elastic-viscoplastic flow has that allows estimation of stress-strain state, distribution of temperature fields and density by section of forged piece been developed.

It has established by modelling and confirmed experimentally the influence of initial porosity of pressing on the quality and equal-density by volume of pressing's collar.

The influence of deforming conditions on stress-strain state of forged pieces has been investigated.

The expression for determination of extrusion force proposed.

The technology for production of powder P80X9C2M from grinding wastes of creep-resisting steel 40X10C2M has been developed.

The influence of initial porosity of pressings and stamping temperature on mechanical properties of steel PK80X9C2M-7,4 established.

The effect of initial heterodensity of layers at hot stamping on adhesion degree of bimetallic sample has been observed.

The production technologies for bimetallic details “pivot” and “foot bearing” with spherical cavity have been developed.

The details produced by developed technologies have passed testing on automotive enterprises.

Key words: porous body, elastic-viscoplastic flow, intensity of stress, deformation, strain rate, temperature field, density, wear-resistant plating layer, relieving cavity.

Размещено на Allbest.ru

...