Развитие теории и технологии процессов обработки давлением компактных и дискретных материалов Алифанов, Александр Викторович

Введение к работе

Актуальность темы диссертации. Повышение конкурентоспособности промышленной продукции, выпускаемой в Республике Беларусь, требует разработки новых и совершенствования существующих технологий с целью интенсификации производства, снижения трудоемкости, экономии материалов, улучшения качества изделий и т.д.

Вышеуказанным требованиям в полной мере удовлетворяют процессы обработки давлением компактных и дискретных материалов (под дискретными материалами понимаются порошки, гранулы, в том числе спрессованные и спечеппые). Однако, при разработке и внедрении этих процессов в производство проявляются факторы и негативного характера: неудовлетворительная стойкость инструмента (особенно в процессах объемного холодного деформирования сталей), многочислешюсть и противоречивость рекомендаций по конструированию рабочих частей шіструмеїгга, не имеющих к тому же единого научного подхода, недостаточный научно-технический уровень методов исследования и выбора технологических смазок, применение которых исключает схватывание инструмента и заготовки. Все это говорит о недостаточном уровне знаний для управления процессами обработки компактных и дискретных материалов с целью снижения энергосиловых параметров процесса, оптимизации напряженно-деформированного состояния заготовки при её обработке и улучшения качества получаемых изделий.

Проведение исследований, направленных на устранение вышеперечисленных недостатков, имеет несомненную актуальность.

Представляется актуальной и разработка методологии единого научного подхода к анализу процессов пластического формообразования компактных и дискретных материалов на основе механики сплошных сред.

Известно, какую существенную роль играет в технолоппіеских процессах ОМД явление схватывания металлов. Несмотря на имеющиеся гипотезы о механизмах схватывания, до сих пор не сложились единые представления об их сущности и нет четких рекомендаций по управлению этими механизмами. Найти пути решения этой проблемы — значит, решить одну из актуальнейших задач теории и практики обработки давлением.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Диссертационная работа выполнялась в рамках координационных планов важнейших республиканских программ в области естественных наук: Сплав [1976-1980 гг.), Сплав 2 (1981-1985 гг.), Материал (1986-1990 гг.), Материал 2 (1991-1995 гг.), Материал (1996-2000 гг.); Государственной научно-технической программы "Высокотемпературная сверхпроводимость" (проект "Композит"— постановление ГКНТ СССР от 27.01.89 г. №37, проекты "Импульс" и "Энергия"— постановление ГКНТ СССР от 08.02.91 г. №105); республиканских программ фундаментальных и поисковых исследований (проекты №Т5-206 и №Т22-368 - решение Совета Фонда фундаментальных исследований Республики Беларусь от 28.10.92г.; проект №Т95-333 - решение

2 СФФИ РБ от 12.01.9бг.; проект ЖГ96-272 - решение СФФИ РБ от 14.02.97г.; проект №Т97-377 - решение СФФИ РБ от 20.02.98г.); заданий межотраслевой республиканской научно-технической программы "Машиностроение" (постановление СМ БССР от 26.07.88г. №205), республиканской научно-технической программы "Инструмент" (Решение комиссии Президиума Совета Министров РБ по вопросам научно-технического прогресса от 9.0б.93г.), РНТП "Машиностроение" (Решение комиссии Президиума СМ РБ по вопросам НТП от 30.06.92г.), Государственной научно-технической программы "Станки и инструмент" (Постановление Правительства РБ от 3.01.97 г.).

Цель и задача исследования. Целью работы является: развитие теории и технологии процессов обработки давлением компактных и дискретных материалов на единой научной базе с учетом явления самоорганизации неоднородных деформационных процессов; углубление представлений о связи общего, напряженно-деформированного состояния идеального жестко-пластического тела с формированием жестких областей, влияющих на поведение материала и смазочной прослойки при их совместном деформировании; изучение взаимосвязи общего напряженно-деформированного состояния заготовки с параметрами внешнего и межчастичного трения при деформировании дискретных материалов, а также в процессах схватывания металлов; научное обоснование такой конструкции рабочей части инструмента, которая обеспечивает сохрашюсть смазочной прослойки на всем пути деформирования и минимум напряженного состояния в системе «деформируемое тело-смазка-инструмент».

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. На примере процессов прямого и обратного истечения, наиболее часто
J встречающихся при объемном холодном деформировании сталей, провести

анализ условий образования жестких областей, исследовать напряженно-деформированное состояние приконтактных слоев и смазочной прослойки в пределах этих областей, теоретически обосновать необходимость учета закономерностей пластического течения деформируемого материала при профилировании рабочих поверхностей инструмента.

2. Разработать методику и исследовать реологическое поведение смазок и
смазочных композиций в условиях, максимально приближенных к производ
ственным, с целью создания надежной смазочной прослойки на контактных

у! поверхностях при холодном объемном деформировании сталей; проанализировать и обобщить существующие гипотезы механизма схватывания металлов, развить представления о влиянии температурно-силовых и кинематических параметров процессов ОМД на механизм схватывания.

1. С применением теории линий скольжения исследовать процесс прессования дискретных материалов с учетом межчастичного и внешнего трения, неоднородности и текущего изменения свойств дискретного тела.

2. Исследовать особенности прессования металлокерамики и высокотемпературной сверхпроводящей (ВТСП) керамики с последующей разработкой соответствующих технологических приемов, способствующих максимальному проявлению функциональных свойств изделий.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются в теоретическом плане - процессы прямого и обратного истечения компактного материала при его пластическом деформировании, условия образования жестких областей, процессы прессования дискретных материалов; в прикладном плане - процессы прямого и обратного холодного выдавливания легирован-*/ ных и малоуглеродистых сталей, процессы прессования изделий нз металло-керамических материалов на основе алюминия и ВТСП керамик на основе иттрия и висмута.

Предмет исследования - напряженно-деформированное состояние компактных и дискретных материалов в объеме и приконтактных областях при обработке давлением, причины возникновения разрывов смазочных прослоек и образования очагов схватывания, методы повышения стойкости деформирующего инструмента и улучшения качества изделий; структурио-фазовые превращения в металлокерамических материалах на основе алюминия и ВТСП керамиках под воздействием высоких давлений и температур, методы получения изделий с высокими функциональными свойствами.

Гипотеза. В работе сформулировано и доказывается научное предположение о том, что поведение компактных и дискретных материалов в процессах деформирования подчиняется одним и тем же законам, что позволяет разработать научные основы деформирования этих материалов на единой теоретической базе, представляемой законами механики деформируемого тела с учетом принципа самоорганизации деформационных процессов.

Методология и методы проведенных исследований. Для достижения поставленной цели и решения задач была привлечена теория линий скольжения, являющаяся инженерным вариантом математической теории пластичности, разработаны и использованы на практике инженерные методы профилирования инструментов для прямого и обратного холодного выдавливания деталей с учетом закономерностей пластического течения, методы исследования технологических свойств смазок и смазочных композиций в условиях, максимально приближенных к реальным процессам холодного объемного деформирования, или непосредственно в производственных условиях.

Для исследования процессов прессования дискретных материалов разработана и использована модель, в которой учитываются основные параметры гидростатического состояния однородно и неоднородно сгруппированной среды, влияние межчастичного и внешнего трения, комбинированного на-гружения, спекания и других факторов.

Силовые параметры процессов деформирования определялись с помощью известных методов тензометрии. Измерение толщины фосфатных покрытий на стальных заготовках и изделиях осуществлялось с помощью прибора МТ-20Н, разработанного для измерения толщины пленок из немагнитных материалов. В работе использовались также методы рентгено-фазного и рентгеноструктурного анализа, дилатометрии и профилометрии.

Научная новизна полученных результатов. Разработана методология единого научного подхода к анализу процессов пластического формообразования компактных и дискретных материалов, которая базируется на исполь-

зовании теории линий скольжения и принципе самоорганизации неоднородных деформационных процессов. Изучен механизм образования жестких областей в процессах прямого и обратного пластического истечения в зависимости от контактного трения, степени деформации и профиля рабочей части инструмента. Показано, что наличие таких областей приводит к росту усилий деформирования, появлению остаточных напряжений в заготовке, а также приводит к торможению и разрыву смазочного слоя, что способствует образованию очагов схватывания заготовки с инструментом.

Теоретически и экспериментально обоснована целесообразность профилирования рабочих поверхностей инструмента для холодного деформирования металлов в соответствии с формой границ очагов деформации идеального жестко-пластического тела с целью устранения возможности образования жестких зон и оптимизации пластического течения приконтакт-ных слоев и смазочных прослоек в процессе деформации.

Разработаны методы исследования антифрикционных и защитных свойств смазочных прослоек, основанные на определении сопротивления смазочного слоя сдвигу и коэффициента пластического трения в условиях вдавливания и кручения, а также на способности некоторых смазочных композиций уменьшать, вплоть до полной ликвидации, ранее образовавшиеся наросты на инструменте. Показано, что наиболее равномерное, без разрывов, распределение фосфатного покрытия на выдавленных стальных изделиях обеспечивается инструментом, профиль которого в наибольшей степени соответствует форме границ очага деформации, построенного для конкретных контактных условий и степени деформации.

С учетом специфики течения сплошных сред сделан переход к дискретным моделям, основу которых составляет выявление приведенной фактической площади межчастичного контакта, передающей нагрузку, и установление взаимосвязи этой поверхности с текущим гидростатическим давлением. На этой основе предложены геометрическая модель пористого тела в виде набора цилиндров ортогональной структуры (вариант плоской задачи с рекомендацией обобщения на объемный случай с использованием полей линий скольжения плоских задач) и кусочная зависимость, связывающая фактическую поверхность контакта с приложенным давлением. Выявлены особенности проявления межчастичного и внешнего трения в процессе прессования, а также комбинированной схемы нагружения

Разработана модель области контакта шероховатых тел в виде пористого тела. Выведены расчетные формулы для определения силовых и сдвиговых параметров, обеспечивающих полный физический контакт сближаемых поверхностей. Предложена методика для определения температурно-силовых и кинематических параметров схватывания.

Выявлен механизм стабилизации при комнатной температуре неполных оксидов (субоксидов), что позволило получить оксидно-субоксидную керамику, отличающуюся высокой прочностью за счет снижения хрупкости.

Исследовано влияние усилий прессования на структурно-фазовые превращения и электрофизические свойства ВТСП керамик на основе иттрия.

Показано, что в интервале удельных давлений 500-2500 МПа стехнометриче-ский состав ВТСП керамик не меняется, отмечается некоторая потеря кислорода и усиление текстуры с увеличением давления. При этом величина температуры перехода в сверхпроводящее состояние увеличилась на 8К, а критическая плотность тока повысилась в 4 раза. Установлено, что дальнейшее повьішеїше усилий прессования приводит к утрате ВТСП образцами сверхпроводящих свойств из-за потери кислорода ниже критического уровпя.

Показано, что обработка отпрессованных и спеченных ВТСП керамик на основе иттрия и висмута лазерным импульсом в наносекундном диапазоне приводит к повышению критической плотности тока на 3 порядка (10⁴ -10⁵А/см²) за счет оплавления границ зерен с образованием сплошного псев-домонокристаллического поверхностного слоя.

Практическая значимость полученных результатов. Разработан инженерный метод профилирования рабочих поверхностей инструмента для процессов прямого и обратного холодного выдавливания стальных изделий, в том числе таких сложных, как шестерня, который базируется на аппроксимации линий скольжения дугами окружностей и на основных свойствах линий скольжения.

Разработаны высокоэффективные смазочные композиции, обеспечивающие надежное разделение поверхностей инструмента и заготовки и предотвращающие их схватывание в экстремальных условиях холодного деформирования сложнопрофильных стальных изделий.

В результате использования рационального профилирования рабочих поверхностей инструмента для холодного выдавливания стальных изделий его стойкость повысилась в 2-5 раз.

Разработан метод получения высокопрочных и дешевых режущих пластин из оксидно-субоксидной керамики на основе алюминия. Режущие пластины можно рекомендовать для обработки чугунов, в том числе закаленных, древесных материалов, в том числе модифицированной древесины.

Разработан комбинированный метод изготовления объемных ВТСП керамик на основе иттрия и висмута с высокими электрофизическим свойствами, приближающимися к свойствам тонких ВТСП пленок.

Разработан новый научный подход к анализу процессов прессования декретных материалов, который позволяет обеспечить более высокий уровень достоверности, повышение точности расчетов энергосиловых параметров процессов прессования, возможность управления свойствами конечного продукта, совершенствование известных и разработку новых высокоэффективных способов формования дискретных материалов.

Разработанные методы, материалы, инструменты, смазочные композиции можно рекомендовать к дальнейшему использованию на машиностроительных заводах республики при изготовлении деталей методами обработки давлением.

Теоретические и практические результаты исследований можно рекомендовать внести в виде дополнений в учебные программы технических ВУ-

Зов при подготовке специалистов в области обработки металлов (материалов) давлением.

Экономическая (социальная) значимость полученных результатов.

Результаты исследований процессов холодной объемной штамповки стальных изделий внедрены на Борисовском заводе автотракторного электрооборудования (БАТЭ) при переходе предприятия на новый уровень технологии — замену обработки резанием получаемых деталей на методы холодного объемного деформирования. Были освоены новые техпроцессы изготовления базовых деталей стартеров (шестерня, якорь с тягой, обойма с обгонными кривыми привода и др.) для автомобилей «Волга», «Москвич», «Жигули». При этом проявилось сразу несколько существенных факторов. Прежде всего, повышено качество изделия в целом (а не только отдельных деталей) вплоть до отказа от производства запчастей; возрос уровень механизации и автоматизации; снизились трудоемкость и металлоемкость изделий; повысилась культура производства, в числе прочего и за счет отказа от экологически неблагоприятных процессов (пайка, сварка). Ключевым показателем экономической эффективности является повышение коэффициента использования металла с 0,35 до 0,8-0,9. По отдельным деталям стартера этот результат превосходит показатели ведущих зарубежных фирм. По сравнению с исходными технологиями расход металла на изделие уменьшился в два раза. За период реконструкции 1976-1987 гг. объем производства холодных стальных поковок увеличился почти в 4 раза (с 0,6 до 2,24 тыс. тонн в год). На заводе БАТЭ создано единственное в Беларуси и одно из самых крупных среди стран-членов СНГ специализированное производство по изготовлению машиностроительных деталей методами холодной объемной штамповки. По результатам этой работы Министерство автомобильной промышленности СССР приняло решение о распространении опыта завода БАТЭ в целом на отрасль.

Экономический эффект на программу 1999 года составил 254,7 млн. рублей при экономии легированной стали 327 тонн, а всего за время поэтапного внедрения и использования разработок—6723,77 млн. рублей (в приведенных ценах на 01.07.2000 г.).

Оценкой работы в целом явилось присуждение Государственной премии РБ в области науки и техники 1988 г. Автор диссертации награжден также двумя серебряными медалями ВДНХ СССР.

Коммерческим продуктом, готовым к реализации, являются способы и конструкции инструментов для получения машиностроительных деталей методами прямого и обратного холодного выдавливания; методы исследования технологических свойств смазок в лабораторных условиях, приближенных к производственным или непосредственно в производственных условиях; новые высокоэффективные смазочные композиции; способ получения дешевых и высокопрочных режущих пластинок из оксидно-субоксидных керамик; методы получения изделий из высокотемпературной сверхпроводящей керамики с высокими электрофизическими свойствами.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Положение о том, что поведение компактных и дискретных материалов в процессе деформирования подчиняется одним законам, что позволяет разработать научные основы деформирования этих материалов на единой теоретической базе, представляемой законами механики деформируемого тела с учетом принципа самоорганизации неоднородных деформационных процессов.

2. Закономерности распределения контактных касательных напряжений и особенности деформирования смазочной прослойки в области жестких зон.

3. Вывод о целесообразности приближения формы рабочих поверхностей инструмента к форме границы очага деформации, разделяющей пластичные и жесткие зоны; инженерные методы построения профиля рабочих поверхностей инструмента.

4. Методы исследования технологических свойств смазок, моделирующие реальные условия холодного пластического деформирования металлов.

5. Усложняющиеся модели дискретных деформируемых тел, позволяющие осуществлять анализ напряженно-деформированного состояния с учетом влияния межчастичного и внешнего трения, неоднородности и текущего изменения свойств дискретного тела, определять граішцу и форму очага пластической деформации, учитывать комбинированные нагрузки.

6. Модель области контакта шероховатых тел в виде пористого тела. Метод определения силовых и кинематических параметров, обеспечивающих полный физический контакт сближаемых поверхностей.

7. Метод получения высокопрочных оксидно-субоксидных керамик на основе алюминия.

8. Метод получения объемных ВТСП керамик с высокими электрофизическими свойствами с применением обработки давлением и импульсного лазерного облучения.

Личный вклад соискателя. Обоснован единый научный подход к анализу процессов формообразования компактных и дискретных материалов на основе теории линий скольжения и с учетом принципа самоорганизации неоднородных деформационных процессов.

Проведены аналитические исследования процессов прямого и обратного истечения, изучено влияние контактного трения, степени деформации и профиля инструмента на формы очагов деформации и жестких зон; разработан метод построения и построены эпюры распределения контактных касательных напряжений, выявлена неоднородность деформирования смазочной прослойки, показан механизм запирания и разрыва смазочной прослойки в области жестких зон.

На основании проведенных исследований сделан вывод о возникновении особых кинематических условий для пластического течения деформируемого материала на границе очагов деформации и жестких областей; регламентированный разрыв скорости по этой границе выявил целесообразность

изготовления профиля рабочих поверхностей инструмента в соответствии с формой границы очага деформации.

Разработаны инженерные методы профилирования рабочих поверхностей инструмента, позволяющие избежать образования жестких зон и, соответственно, оптимизировать условия деформирования заготовки и смазочной прослойки, снизить усилия деформирования, повысить стойкость инструмента.

Разработаны метод и устройство для исследования антифрикционных и защитных свойств смазок и смазочных композиций в условиях, моделирующих реальные процессы холодного объемного деформирования сталей; разработан метод исследования защитных свойств смазок и смазочных композиций в производственных условиях на основе способности некоторых смазочных композиций уменьшать образовавшиеся ранее на инструменте задиры.

Проведены экспериментальные исследования инструментов с различным профилем рабочих поверхностей, а также различных смазочных композиций в технологических процессах изготовления деталей стартера методами прямого и обратного холодного выдавливания на заводе БАТЭ; исследования подтвердили теоретические выводы о полезности профилирования инструмента в соответствии с границей очага деформации и рекомендации по применению смазок.

Внедрены в производство на заводе БАТЭ новые конструкции инструментов и ряд смазочных композиций в технологических процессах изготовления холодным выдавливанием таких деталей стартера, как шестерня привода, якорь с тягой, обойма и др.. Долевое участие автора в представленной экономической эффективности по заводу БАТЭ составляет 20% (50,96 млн. руб. за 1999 год и 1344,7млн. руб. за время внедрения в приведенных ценах на 01.07.2000 г.).

Разработана модель прессования дискретных материалов с привлечением теории линий скольжения, позволяющая установить закономерности влияния взаимосвязи фактической контактной поверхности и контактных напряжений на пористость заготовки. Дана оценка предельного критического напряженного состояния, обеспечивающего компактность материала. Выявлены особенности проявления межчастичного и внешнего трения в процессе прессования, а также комбинированной схемы нагружения.

Развиты представления о схватывании металлов в процессах обработки металлов давлением, обобщающие основные положения наиболее известных гипотез о механизме схватывания, предложена методика для определения температурно-силовых и кинематических параметров схватывания.

Исследовано влияние усилий прессования на структурно-фазовые превращения и электрофизические свойства ВТСП керамик.

Работа, связанная с исследованием оксидно-субоксидных керамик на основе алюминия, проводилась совместно с А.В. Степаненко, Г.М. Левченко, М.Г. Морозовым, Д.С. Лысовым. Исследования структурно-фазовых превращений и свойств ВТСП керамик под воздействием лазерного облучения про-

водились совместно с А.В. Степаненко, А.Г. Ульяшиным, И.Г. Горольчук, Н.В. Францкевич, Т.Н. Хатько, А.А. Томченко. Разработка модели области контакта шероховатых тел в виде пористого тела осуществлена совместно с А.В. Степаненко и В.И. Резниковым.

Участие других соавторов выражалось в подготовке и проведении экспериментов, обработке и обсуждении результатов исследований.

Апробация результатов диссертации. Основные положения и результаты диссертации доложены на 36 международных, всесоюзных, межреспубликанских, республиканских, региональных и отраслевых научно-технических конфереіщиях в гг. Хьюстон (США), Гренобль (Франция), Варна (Болгария), Тренчин (Словакия), Москва, Андропов, Барнаул, Волгоград, Ереван, Ленинград, Николаев, Омск, Петрозаводск, Рубцовск, Тула, Фрунзе, Харьков, Минск, Борисов, Гомель, Гродно, Новополоцк.

Опубликование результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 66 научных трудах, в том числе: 1 монографии, 3 брошюрах, 9 научных журналах, 17 сборниках статей, 19 тезисах докладов, 5 информационных листках, защищены 12 авторскими свидетельствами. Общее количество страниц опубликованных материалов составляет 669.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, шести глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Изложена на 195 страницах машинописного текста, содержит 106 рисунков, 10 таблиц, список использованных источников, включающих 295 наименований, 9 приложений.