Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов производства и увеличения поперечного сечения длинномерных профилей 9
1.1 Обзор методов получения длинномерных профилей 9
1.2 Обзор существующих способов увеличения поперечного сечения длинномерных профилей 12
1.3 Обзор способов восстановления длинномерных профилей 18
1.4 Новый способ увеличения поперечного сечения длинномерных профилей
Цель и задачи исследований 23
2. Теоретические исследования напряженно - деформированного состояния процесса увеличения поперечного сечения длинномерных профилей
2.1 Методы исследования свойств длинномерных профилей 25
2.2 Геометрическая модель очага пластической деформации 34
2.3 Расчетная схема и принятые допущения 37
2.4 Определение кинематического состояния в очаге деформации 39
2.5 Формоизменение заготовки и силовой режим деформирования 44
2.6 Теоретическое исследование траекторий движения частиц металла в очаге пластической деформации
2.7 Теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния металла вдоль траекторий движения выбранных точек
Выводы к главе 2 57
3. Экспериментальное исследование напряженно- деформированного состояния и кинематики течения металла в очаге пластической деформации
3.1 Экспериментальное исследование очага деформации 58
3.2 Определение траекторий движения частиц металла в очаге пластической деформации и сравнение с результатами теоретического расчета
Выводы к главе 3 67
4. Восстановление контактного провода М85 на лабораторной установке
4.1 Влияние условий эксплуатации на характеристики контактного провода и анализ причин, приводящих к его износу
4.2 Исследование свойств медного изношенного провода 73
4.3 Пластическое деформирование медного контактного провода на экспериментальной установке
4.4 Исследование свойств восстановленного провода 87
Выводы к главе 4 92
5. Разработка рекомендаций по проектированию процесса увеличения поперечного сечения длинномерных профилей ... 93
5.1 Алгоритм проектирования технологического процесса увеличения поперечного сечения длинномерного профиля... 93
5.2 Анализ конкурентноспособности предлагаемой технологии и продукции 101
5.3 Перспективы развития технологии увеличения поперечного сечения длинномерного профиля 105
5.4 Выводы к главе 5 107
Основные выводы 108
Литература
Приложения 114
- Обзор существующих способов увеличения поперечного сечения длинномерных профилей
- Геометрическая модель очага пластической деформации
- Определение траекторий движения частиц металла в очаге пластической деформации и сравнение с результатами теоретического расчета
- Исследование свойств медного изношенного провода
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время промышленность выпускает большое количество типоразмеров длинномерных профилей с различным поперечным сечением и различного назначения. Длинномерные профили широко применяются как готовые изделия (рельсы, балки, трубы, контактные провода, различные направляющие и т. п.), так и в качестве заготовок для последующей обработки методами обработки металлов давлением (ковка, штамповка) и методами обработки резанием.
Часть профилей, использующихся в качестве готовых изделий, в процессе эксплуатации подвержены интенсивному износу (рельсы, различные направляющие, контактные провода) и, в дальнейшем, нуждаются в частой замене. Например, истирание поперечного сечения контактного провода на 30 % приводит к его замене на новый, т. к. ослабленное сечение не в состоянии выдерживать силу натяжения провода между опорами. Изъятые из эксплуатации изношенные длинномерные профили в дальнейшем используются только в качестве лома при вторичной переработке металлов.
Вместе с тем, изношенные длинномерные профили все еще продолжают обладать необходимым набором химических, физических и механических свойств, достигнутых ранее на этапе металлургического передела.
Экономное расходование металлов и их эффективная вторичная переработка являются основными задачами современной промышленности, так как производство металлов и их переработка характеризуются дороговизной, насыщено множеством чрезвычайно сложных и энергоемких технологических операций и сопровождаются вредными выбросами.
Поэтому диссертационная работа посвящена проблеме восстановления длинномерных профилей методами, позволяющими снизить себестоимость продукции и энергозатраты на вторичный передел, улучшить экологическую ситуацию.
Представленная работа выполнялась на кафедре "Технологии и оборудование прокатки" МТТУ им. Н. Э. Баумана в соответствие с направлением "Разработка технологий и оборудования для получения изделий из техногенного сырья методами пластической деформации" и при поддержке гранта научно-исследовательских работ Госкомитета РФ по высшему образованию за 1999 год по теме "Разработка способа изготовления медных контактных проводов из техногенного сырья".
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка способа восстановления изношенного сечения длинномерного профиля методом пластической деформации и разработка научно-обоснованной методики расчета энергосиловых параметров процесса.
В работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Установление функциональных взаимосвязей между условиями износа длинномерного профиля и изменением его технологических и эксплута-ционных характеристик.
РОС. НАЦИОНАЛЬНА* j
%1(Щ
~ І
БИБЛИОТЕКА С.Летерб; 09 №0 '
-
Разработка технологической схемы восстановления длинномерного профиля методом пластической деформации.
-
Разработка физической и математической моделей процесса деформирования изношенного длинномерного профиля на основе исследований закономерностей течения металла в очаге пластической деформации.
-
Разработка методик проектирования технологического процесса восстановления длинномерного профиля. Разработка алгоритмов и программ для определения силовых и кинематических параметров
Научная новизна В работе теоретически и экспериментально обоснован новый способ увеличения поперечного сечения длинномерною профиля методом пластического деформирования. Впервые получены зависимости для расчета силовых и деформационных параметров процесса восстановления длинномерного профиля.
Автор защищает:
-
Результаты экспериментальных исследований изменения механических свойств длинномерного профиля в процессе деформационного восстановления.
-
Разработанные физическую и математическую модели деформирования длинномерного профиля.
-
Способ восстановления длинномерного профиля методом пластического деформирования.
-
Методику расчета энергосиловых, кинематических и технологических параметров процесса восстановления длинномерного профиля.
Достоверность научных результатов работы подтверждае гея выполнением граничных условий, удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных по силе деформирования, достижением заданных ГОСТ 2584-86 механических и электрических свойств восстановленного длинномерного профиля (медного контактного провода), использованием современных методов и аппаратуры для экспериментальных исследований.
Практическая ценность. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны методики и даны рекомендации для определения температурных, скоростных и силовых параметров процесса восстановления медного контактного провода МФ85, МФ100.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на Международном научно - практическом семинаре «Инженерный бизнес и защита окружающей среды» (г. Варна, Болгария, 1996 г.), на Международном научно - практическом семинаре «Новые технологии и средства оснащения производства» (г. Сочи, 1996 г.), а также на научных семинарах кафедры МТ-10 МГТУ им. Н. Э. Баумана.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ и получен 1 патент на изобретение № 2109591.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на
113 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 13 таблиц, список литературы из 48 наименований.
Обзор существующих способов увеличения поперечного сечения длинномерных профилей
Все известные процессы формообразования заготовок можно разделить на две большие группы: заготовки, полученные с помощью литья и заготовки, полученные пластической деформацией. При проектировании технологии увеличения поперечного сечения длинномерного профиля в данной работе рассматривались методы пластической деформации. Среди многообразия известных методов обработки металлов давлением наиболее подходящими, на наш взгляд, являются методы холодной объемной штамповки [16]. Технологии холодной объемной штамповки позволяют изготавливать поковки, по форме и размерам приближающиеся к готовым деталям, обеспечивают высокую производительность, улучшают качество деталей (точность размеров в поперечном направлении 10-12 квалитет, шероховатость поверхности Ra0,32...1,25 и т. д), позволяют создавать "безлюдные технологии". Ограничивающим фактором распространения холодной объемной штамповки является необходимость создания для деформирования заготовки высоких удельных сил, превышающих в ряде случаев более чем в 4 раза напряжение текучести обрабатываемого металла, что находится на границе прочностных характеристик сплавов, применяемых для изготовления рабочих деталей штампов. Расширение области применения холодной объемной штамповки возможно в результате разработки схем деформирования, требующих для их осуществления меньших удельных деформирующих сил. В зависимости от характера течения металла процессы холодной объемной штамповки можно представить состоящими из ряда технологических операций (рис. 1.4) [7], последовательное или одновременное применение которых позволяет осуществить заданное формоизменение заготовки при изготовлении детали.
Из всех технологических операций приведенных на рис. 1.4 наиболее близкой для нашего случая представляется операция высадки, так как для решения поставленной задачи необходимо увеличение поперечного сечения заготовки. Под высадкой понимают такую операцию формоизменения, при которой усилие действует вдоль оси детали и происходит уменьшение высоты заготовки и увеличение ее диаметра. Проанализировав существующие разновидности операции высадки [7] было выяснено, что для восстановления поперечного сечения длинномерного профиля, наиболее подходящей является операция электровысадки, т. к. позволяет увеличивать поперечное сечение профиля с равномерным сечением по длине. Электровысадка характеризуется совмещением процессов электронагрева методом сопротивления части заготовки и ее деформирования. Сущность процесса электровысадки подробно описана в [44], поэтому мы не будем на ней подробно останавливаться. Ниже рассмотрим технологические возможности электровысадки. В настоящее время наиболее освоенным и отработанным является процесс высадки цилиндрических заготовок из стали и титановых сплавов. Экспериментально опробованы с положительными результатами также процессы деформирования профилей каплеобразных, Т, X, V, - образных сечений. Однако, для таких заготовок пока не удалось разработать конструкцию радиального электрода, обеспечивающего равномерное распределение тока по всему сечению образцов обычной точности, поэтому заготовки перед высадкой необходимо калибровать. На электр о высадочных машинах могут обрабатываться заготовки с определенной площадью поперечного сечения. Исследования, проведенные на машинах, изготовленных в ЭНИКМАШе, показали, что исходные размеры образцов могут быть увеличены от 1,4 до 3,2 раза, а толщина тонкостенных труб - до 9,3 раза за один технологический переход. В экспериментальных условиях, без каких - либо принципиальных затруднений, высаживались прутки диаметром от 4 до 75 мм и трубы с внешним диаметром от 6 до 150 мм и толщиной стенки от 0,4 до 7 мм. Форма высаженной части может быть цилиндрической, конической. Набор металла на двух концах осуществляется так же легко, как и на одном. Длина исходных заготовок, обрабатываемых на горизонтальных электровысадочных машинах, практически не лимитируется. При приложении деформирующей силы к торцу заготовки, ее длина ограничивается размерами удлинителя. Если деформирующую силу прилагать к образующей поверхности высаживаемого изделия при помощи цангового зажима, то длина его (изделия) может быть любой (в экспериментальных условиях эта величина составляла около 9 метров). Окалина при электр о высадке практически отсутствует и поэтому не оказывает влияния на отклонения объема высаженных частей. Электоровысадочные машины обладают высокой производительностью, которая зависит от величины набора металла и скорости нагрева заготовки. В отличие от других технологических процессов электровысадкой возможно получать утолщения только на удлиненных заготов ках, поэтому номенклатура таких изделий относительно не велика. Ниже приведены характеристики нескольких групп таких изделий. Отнесение конкретных деталей к той или иной группе обуславливается однотипностью их конструктивных признаков, технологической остнастки и особенностей осуществления процесса (таб.1).
Геометрическая модель очага пластической деформации
Для моделирования технологического процесса предложена геометрическая модель исходного провода в виде цилиндра равновеликой площади медному контактному проводу марки М85. Так как площадь поперечного сечения контактного провода равна 85 мм", то радиус цилиндра равен 5.2 мм. Геометрическая модель изношенного провода представляет собой часть цилиндра, образованная отсечением от него 30 % объема плоскостью, параллельной плоскости оси цилиндра [3].
Проведя необходимые математические вычисления, получаем, что периметр поперечного сечения медного контактного провода с 30 % износом равен 33 мм. Так как, расхождение между периметрами геометрической модели и реальным изношенным проводом составляет не более 6%, то для дальнейших вычислений принимаем, что периметр поперечного сечения оставшейся после износа части равен 31 мм. Поперечное сечение геометрической модели очага пластической деформации изображено на рис. 2.2.
Высоту очага пластической деформации в дальнейших расчетах принимаем равной 10 мм из следующих соображений. При непрерывной пластической деформации провода в очаге деформации обеспечивается процесс несимметричной закрытой осадки. Из литературных источников [45] известно, что при осадке заготовки при соотношениях D/h l весь объем деформируемого металла находится в очаге пластической деформации, так как при этом конуса пластической деформации перекрываются. Так как в нашей задаче мы принимаем отношение Do/ho l, то также будем считать, что весь объем деформируемого металла находится в очаге пластической деформации. Таким образом, высота очага пластической деформации равна ходу дефомирования. 2.3. Расчетная схема и принятые допущения
Выделим в поперечном сечении геометрической модели очага пластической деформации характерные зоны течения металла. Учитывая, что геометрическая модель имеет ось симметрии в поперечном сечении, при решении задачи будем рассматривать верхнюю часть, одновременно распространяя полученные решения и на нижнюю часть. В поперечном сечении геометрической модели выделим три зоны течения металла (рис. 2.3), которые характеризуются следующими особенностями: каждая из этих зон представляет собой правильную геометрическую фигуру, что удобно для дальнейших математических вычислений. Учитывая, что площадь поперечного сечения медного контактного провода равна 85 мм2, то радиус окружности, лежащей в поперечном сечении геометрической модели, будет равен 5.2 мм. Остальные размеры зон течения металла определены из геометрических построений (рис. 2.3).
Приток металла в зону 1 осуществляется вдоль оси Z, отток металла осуществляется вдоль оси Х„ Определим кинематически возможную скорость течения металла Vx вдоль оси X исходя из условия равенства расходов металла. Так как задача симметричная относительно оси X, то будем рассматривать верхнюю половину заготовки.
Определение траекторий движения частиц металла в очаге пластической деформации и сравнение с результатами теоретического расчета
Методика исследований Для обоснования расчетной схемы очага пластической деформации при теоретическом исследовании было проведено экспериментальное исследование формы и границ очага пластической деформации. В качестве метода исследования был применен метод координатной сетки. Этот метод при всей своей простоте позволяет наглядно определить размеры очага пластической деформации.
Для исследования был взят отрезок контактного провода М85 длиной 140 мм. Этот образец разрезали на две равные части относительно оси симмсірии на электроэрозионном станке с толщиной реза 0,01 мм, шким обра и м. получили составной образец. На одну из меридиональных плоскостей разрезного образца наносили квадратную сетку со сторонами 2мм+/-0,1мм. Перед деформированием половинки протравливали и соединяли сплавом Вуда. После этого образец помещали в экспериментальную установку и осуществляли деформирование. Затем образец вынимали, после нагрева в кипящей воде его разъединяли и таким образом получали деформированную сетку. Для проведения анализа координатную сетку образца фотографировали до и после деформирования, а также проводили измерения координат узлов координатной сетки. Этот опыт повторяли несколько раз с суммарным ходом деформирования 2 мм, 6 мм, 8 мм. Эти опыты позволили пирскми 11, ишспонис координат узлов меридиональной сетки, полу чип. фшографии и іменем пя размеров очага пластической деформации в продольном сечении (рис. 3.4). Сравнение результатов расчета траекторий движения частиц . металла в очаге пластической деформации
Для оценки адекватности теоретического анализа напряженно -деформированного состояния металла в очаге пластической деформации реальным условиям проводили сравнение траекторий движения частиц металла в очаге пластической деформации рассчитанные теоретически и полученные экспериментально.
Рассчитаем траектории движения точек в очаге пластической деформации. Очаг пластической деформации трехмерный. Для расчета использовалась двухмерная проекция очага пластической деформации на плоскость XZ, полученная сечением его (очага) плоскостью у = 0 (рис. 3.6).
Выберем ряд точек с номерами 0....4 и построим траекторию их движения. Точки с номерами 0, 1, 2 находятся в третьей зоне. Воспользуемся уравнениями (2Л 7). В эти уравнения в качестве переменной входит угол ос. Значение этого угла в третьей зоне при сечении ее плоскостью у = 0 изменяется от 20 до 90 (рис.3.6). Вычислим текущие координаты Xj, Zt точек 0, 1, 2 для следующих значений угла а; а = 30, а = 45, а = 90. Соответствующие углу а значения 5h выбираем по графику, изображенному на рис. 2.4.
1. На основе проведенных экспериментальных исследований подтверждены границы очага пластической деформации. Установлено, что весь объем деформируемого металла находится в очаге пластической деформации.
2. На основе экспериментальных исследований подтверждены траектории движения частиц металла в очаге пластической деформации. Установлено, что максимальное расхождение составляет 8%.
Исследование свойств медного изношенного провода
Как отмечалось выше, данная работа посвящена восстановлению изношенного сечения медного контактного провода. Поэтому, исходным материалом для проектируемого технологического процесса является изношенный медный контактный провод. Для того чтобы предложить способ его восстановления необходимо изучить его геометрический вид, исследовать физико - механические свойства и влияние холодной пластической деформации и термообработки на свойства меди.
Как уже отмечалось, в процессе токосъема контактные провода изнашиваются. Износ контактного провода проявляется, прежде всего, в уменьшении площади его поперечного сечения. Вследствие этого, с механической точки зрения, снижается предел прочности контактного провода при натяжении, т. е. возникает опасность его обрыва. Кроме того, с электрической точки зрения, при больших скачках тока появляется возможность пережога контактного провода, что также приведет к его обрыву. Для устранения опасности обрыва провода значение предельного износа нормируют [3] и, при приближении износа провода к этой величине, провод заменяют на новый. С помощью таблиц [3] по измеренной высоте оставшегося сечения определяют площадь износа SH1. Например, для наиболее широко применяемого контактного провода марки МФ - 100 с номинальным сечением S - 100 мм2 правилами установлено значение износа SH3 = 30 мм , однако, на практике его обеспечить очень трудно из - за неравномерности износа по длине пролетов между опорами. Поэтому, на практике, контактные провода заменяют раньше, не дожидаясь их предельного износа. В работе [2], на основании анализа данных эксплуатации 50 - 70г.г., фактическое среднее значение S„3 было определено равным всего 22 мм2 (для провода МФ - 100), поэтому в своих расчетах будем принимать величину износа равную 30 % от площади номинального сечения, как предельный случай износа.
Следует отметить особенность контактного провода - криволинейность рабочей поверхности, которая изменяется в процессе эксплуатации провода, что приводит к появлению площадки износа. [4].
Для определения ее месторасположения были проведены исследования. Взяли изношенные контактные провода, снятые с разных участков железной дороги (рис. 4.2). Визуальное изучение расположения этой площадки показало, что оно имеет вероятностный характер. Если рассмотреть пролет провода, то на нем будут находиться участки с изношенной площадкой, расположенной под разными углами к оси симметрии поперечного сечения провода. В работе [4] отмечается, что максимальное значение угла между осью симметрии поперечного сечения провода и изношенной площадкой может достигать 30, при ярко выраженном "боковом" износе. Там же приводятся данные о том, что в большинстве случаев изношенная площадка располагается перпендикулярно к оси симметрии поперечного сечения провода, что также подтверждается нашими наблюдениями. Кроме того, следует отметить, что износ контактного провода по длине пролета неодинаков, на нем есть участки с разными видами износа (описанные ранее).
На основании вышеизложенного, в предлагаемый способ реновации контактного провода введена предварительная калибровка, позволяющая получить исходную заготовку (изношенный провод) с одинаковыми геометрическими размерами по длине. Поэтому, в предлагаемой математической модели сделано следующее допущение: - износ поперечного сечения контактного провода принимаем максимальным, а его распределение по длине провода равномерным (отклонения по длине составляет не более 5 %).
Как было указанно в 4.1 под воздействием таких факторов, как механическое трение, соударение, разогрев контактного провода вследствие прохождения электрического тока, возникновения электрической дуги и т.д., механические и микро структурные характеристики контактного провода претерпевают изменения. Изучение этих данных крайне необходимо инженеру - технологу для того, чтобы проследить изменение свойств изделия в процессе эксплуатации и на этой основе правильно сформировать технологическую среду. Правильно сформированная технологическая среда обеспечит, в свою очередь, закрепление нужных, полезных свойств изделия и, наоборот, ослабит или сведет к минимуму вредные свойства, отрицательно влияющие на эксплуатационные характеристики изделия.
Согласно ГОСТ 2584 - 86 основными механическими характеристиками контактного провода являются: временное сопротивление при растяжении ав, а также показатели пластичности контактного провода, которые характеризуются испытаниями на скручивание и на перегиб.
В работе исследовались изношенные медные контактные провода марки МФ-85 (ГОСТ 2584 - 86). Были проведены испытания на растяжение согласно ГОСТ 10446-80, на скручивание по ГОСТ 1545-80, на перегиб согласно ГОСТ 1579-80.
Для испытаний изношенного контактного провода на расі я жени е было взято 2 образца. Образец № 1 имел длину 150 мм, площадь поперечного сечения 78,6 мм , т.е. износ контактного провода составил 21,4 мм . Образец № 2 был взят с длиной 130 мм и площадью поперечного сечения 88,2 мм , износ составил 11,8 мм2. Испытания на растяжение выявили, что ав у образца № 1 составил 32,9 кгс/мм2, а у образца № 2 - 33,8 кгс/мм2. Полученные данные хорошо согласуются с литературными. В [2] рассматривались результаты испытаний образцов снятых на участке Минеральные Воды -Кисловодск, При износе контактного провода равным 35 мм , ав = 27,2 кгс/мм2. В этой же работе приводятся данные по исследованию контактного провода снятому на участке Иркутск - Слгодянка. Износ контактного провода составил 22 мм , а ав = 29,6 кгс/мм , При этом в работе отмечается. что это были минимальные значения о в при прочих равных условиях по сравнению с другими изношенными контактными проводами. Снижение значений ств, у изношенных контактных проводов по сравнению с пределом прочности материалов этих проводов в состоянии поставки объясняется частичной рекристаллизацией металла при его нагреве тяговыми токами. Известна также [5] рекристаллизация меди вблизи поверхности трения провода в результате тепловых воздействий, связанных с токосъемом (нагрев электрической дугой или джоулевым теплом, выделяющемся в контакте), На основании приведенного анализа в своих расчетах будем принимать значение временного сопротивления при растяжении ав у изношенного провода равным 30 кгс/мм .
