Содержание к диссертации
Введение
1. Осесимметричные композиционные электропроводники 15
1.1. Структура и конструкции осесимметричных композиционных электропроводников 15
1.2. Проводники для сверхпроводящих магнитных систем (CMC) 18
1.2.1. Особенности конструкции и технологии производства проводников для CMC 23
1.3. Современное состояние технологии волочения длинномерных осесимметричных композиционных изделий 29
1.4. Практика волочения осесимметричных изделий с использованием алмазного волочильного инструмента 44
1.5. Разрушение металлов при пластической деформации 50
1.5.1. Физические и энергетические аспекты пластической деформации 50
1.6. Критерии разрушения при пластической деформации 57
1.7. Результаты теоретических исследований напряженно-деформированного состояния изделий при волочении 67
1.8. Коэффициент трения в процессах обработки металлов давлением 81
1.9. Постановка задачи исследований 84
2. Критерии для прогнозирования разрушения и управления уровнем дефектности изделий при проектировании маршрута волоче ия 91
2.1. Условие безобрывности процесса волочения 91
2.2. Критерий поврежденности при пластической деформации 111
2.2.1. Проверка применимости критерия поврежденности 119
2.2.2. Технологический критерий поврежденности 125
Выводы по главе 128
3. Напряженно-деформированное состояние при волочении осесимметричных композиционных заготовок в очаге деформации 129
3.1. Деформированное состояние осесимметричных композиционных заготовок 129
3.2. Напряженное состояние осесимметричных композиционных заготовок 135
3.3. Влияние параметров процесса волочения и конструкции композиционных заготовок на напряженное состояние слоев заготовки
3.4. Показатель напряженного состояния в очаге деформации при волочении 156
3.5. Проверка применимости формул для определения напряжений в слоях композиционных заготовок 158
Выводы по главе 166
4. Проектирование маршрутов волочения композиционных заготовок с использованием условия безобрывности и технологического критерия поврежденности 167
4.1. Волочение биметаллической проволоки 168
4.2. Волочение композиционных заготовок для CMC 175
Выводы по главе 180
5. Разрушение и износ алмазного волочильного инструмента 181
5.1. Напряженно-деформированное состояние алмазного волочильного инструмента , 181
5.2. Физико-химические свойства и особенности трения элементов пары металл-алмаз 187
5.3. Температура в точках фактического контакта алмазного волочильного инструмента и заготовки 193
Выводы по главе 200
Теория и технология волочения в режиме СРТ 201
Коэффициент трения при пластической деформации 201
Коэффициент трения при волочении в режиме СРТ 206
Течение вязкой смазки в осесимметричном сужающемся канале произвольной формы 209
Течение смазки в канале рабочей волоки и напорных элементов 211
Оценка условий трения при волочении в режиме СРТ 216
Практические конструкции и способы улучшения условий трения при волочении 220
Практика волочения композиционной проволоки в режиме СРТ 231
Выводы по главе 248
Заключение 250
Библиографический список 254
- Особенности конструкции и технологии производства проводников для CMC
- Критерий поврежденности при пластической деформации
- Влияние параметров процесса волочения и конструкции композиционных заготовок на напряженное состояние слоев заготовки
- Волочение композиционных заготовок для CMC
Введение к работе
Актуальность работы. Значительную часть изделий машиностроения, приборостроения и энергетики составляют осесимметричные слоистые композиционные изделия, получаемые волочением. Уникальные свойства композитов компенсируют высокую стоимость их производства. Деформирование композиционных заготовок при волочении исследовалось в работах Аркулиса Г.Э., Белова М.И., Бояршинова М.И., Белалова Х.М., Залазинского А.Г., Ейльмана Л.С., Маковского В.А., Колмогорова В.Л., Щеголева Г.А., Кучеряева В.Б., Паршина В.С., Соколовского В.И., Тарнавского А.Л. и др.
Волочением получают би- и триметаллические электропроводники диаметром 0,1-1,0 мм для работы в агрессивных средах, в условиях высоких температур, переменных нагрузок и др. Технология получения конечных изделий из слоистых электропроводников, например, кабелей, предусматривает длину единичного отрезка до 20 - 30 км при обеспечении сплошности покрытия и сердечника.
В соответствии с федеральной целевой программой «Реформирование и развитие оборонно-промышленного комплекса», на основании приказа Министра РФ по атомной энергии №232 от 20.05.2002г., Программы конверсии ОАО ТВЭЛ утвержденной 23.07.2002 г., приказа руководителя Федерального агентства по атомной энергии РФ №261 от 02.12.2004 г. на ОАО «Чепецкий механический завод» организуется производство нового класса композиционных изделий - проводов из низкотемпературных сверхпроводников (НТСП) для сверхпроводящих магнитных систем (СМС), с ежегодной программой производства до 100 тонн. Пуск производства позволит РФ выполнить обязательства в рамках работ по созданию международного термоядерного реактора ИТЭР и выйти на рынок сверхпроводящих материалов, объем которого по оценкам экспертов к 2015 г.г. превысит 200 млрд.$.
Проводники для СМС имеют диаметр 0,1-0,7 мм и должны иметь длину единичного отрезка 3-30 км при обеспечении строгой геометрии многожильного композита в сечении при отсутствии пережимов, обрывов, инородных включений, высокой однородности сверхпроводящих волокон по длине и заданном уровне дефектности для обеспечения эффекта пиннинга. Указанные требования обеспечиваются на волочильном переделе, являющемся наиболее продолжительным этапом в технологии производства проводников для СМС.
Пластические свойства слоев композиционных заготовок могут существенно различаться, поэтому технология многопереходного волочения должна обеспечивать их деформирование без обрыва, так как после обрыва при последующей сварке заготовки структура композита и его параметры не восстанавливаются. Особенно важно выполнение условия безобрывности на последних переходах при тонком волочении, когда стоимость заготовки многократно возрастает.
Таким образом, актуальной задачей является разработка критериев и методик проектирования маршрута волочения, позволяющих получать длинномерные композиционные изделия и отвечающих заданным требованиям по длине и дефектности.
Основные результаты работы получены при выполнении НИР по темам:
-
«Повышение стойкости алмазного волочильного инструмента при волочении медной никелированной проволоки» (договор между Пермским политехническим институтом и ПО «Камкабель» №86/71-13, 1986 г.).
-
«Разработка технологии волочения сверхпроводящих материалов (договор между ОАО «Чепецкий механический завод» (г. Глазов) и Пермским государственным техническим университетом (ПГТУ) № 2003/147, 2003 г.).
-
«Математическое моделирование процессов волочения композиционных Cu/NbTi и Cu/Nb прутков и проводов, расчет минимальных и максимальных величин разовой деформации, обусловленных неравномерностью деформации при волочении» (договор между ПГТУ (г. Пермь) и ФГУП ВНИИНМ им. академика А.А. Бочвара № 2006/146/423-47, 2006 г.).
Цель и задачи исследования. Целью исследования является совершенствование технологии волочения композиционных электропроводников путем прогнозирования и управления уровнем дефектности деформируемых композиционных заготовок на основе критериев разрушения и поврежденности, учитывающих влияние технологических параметров процесса волочения и условий трения.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
-
Разработка критериев, позволяющих спроектировать маршрут многопереходного волочения и обеспечить требуемую длину заготовки.
-
Разработка критериев, позволяющих обеспечить требуемую дефектность структуры заготовки.
-
Исследование влияния физико-химических и теплофизических свойств пары трения волока-заготовка на разрушение и стойкость алмазных волок, используемых на финишных переходах.
-
Расчет параметров и разработка практических конструкций инструмента для улучшения условий трения при волочении.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Теоретическое обобщение критериев разрушения и накопления дефектов при пластической деформации и формирование обобщенного критериального подхода к проектированию процесса многопереходного волочения композиционных заготовок.
-
Математические модели расчета напряженного и деформированного состояния при волочении композиционной заготовки с произвольным числом слоев и соотношением их пластических характеристик.
-
Теоретические основы расчета коэффициента трения при волочении в смешанном режиме трения.
-
Теоретические основы расчета параметров сборного волочильного инструмента для волочения в режиме СРТ.
Научная новизна работы заключается в:
- разработке и теоретическом обосновании условия безобрывности процесса многопереходного волочения;
- разработке и теоретическом обосновании критерия поврежденности при пластической деформации;
- разработке технологического критерия поврежденности для проектирования процесса многопереходного волочения и прогнозировании уровня дефектности готовых изделий;
- разработке математической модели процесса волочения слоистых композиционных заготовок и анализе влияния основных параметров процесса волочения на величину напряжений в слоях композиционной заготовки;
- теоретическом обосновании методики расчета коэффициента трения при волочении в режиме смешанного трения;
- разработке теоретических основ расчета напорных характеристик волочильного инструмента при волочении в режиме СРТ.
Методы исследования основаны на использовании экспериментальных и теоретических результатов физики твердого тела, теории пластичности, линейной механики разрушения и теории разрушения при обработке металлов давлением, использовании методов математической физики и математической статистики.
Практическая значимость. Результатами исследований, готовыми к практическому использованию являются:
-
Методика расчета напряженного и деформированного состояния при волочении слоистых композиционных заготовок.
-
Методика проектирования маршрута многопереходного волочения композиционных заготовок с использованием технологического критерия поврежденности и условия устойчивости (безобрывности).
-
Методика расчета параметров сборного волочильного инструмента для деформирования заготовок в режиме смешанного трения.
-
Устройства для реализации режима смешанного трения при деформировании тонких проволок, новизна технических решений которых подтверждена авторскими свидетельствами, патентами и наградами 51-й Всемирной выставки инноваций, научных исследований и современных технологий «Эврика-2002» (Брюссель, ноябрь 2002г.), дипломом Урало-Сибирской научно-промышленной выставки (Екатеринбург, июнь 2003 г.).
Реализация работы. Полученные в работе результаты, разработанные способы и устройства проверены и использованы в условиях лаборатории кафедры «Динамика и прочность машин» Пермского государственного технического университета, ОАО «Камский кабельный завод» и ОАО «Чепецкий механический завод». Разработанные методики используются при проектировании технологии многопереходного волочения тонких биметаллических проволок в ОАО «Камкабель» (г. Пермь) и композиционных заготовок для сверхпроводников в ОАО «Чепецкий механический завод». Теоретические результаты работы используются в учебном процессе в форме лекций, УИРС, лабораторных работ и при выполнении дипломных и курсовых работ на кафедре «Динамика и прочность машин» Пермского государственного технического университета (ПГТУ) и «Специальные инженерные науки» Глазовского инженерно-экономического института (филиала) Ижевского государственного технического университета.
Личный вклад автора заключается в постановке, организации и проведении теоретических и экспериментальных исследований, изготовлении практических конструкций волочильного инструмента, обобщении полученных результатов.
Автор выражает благодарность заслуженному работнику высшей школы РФ, заведующему кафедрой «Динамика и прочность машин» Пермского государственного технического университета профессору, д.т.н. Колмогорову Герману Леонидовичу за научную и организационную помощь.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:
Научно-технической конференции «Современные вопросы динамики и прочности машин» (Пермь, ППИ: 1986); Научно-технической конференции «Математическое моделирование технологических процессов обработки металлов давлением» (Пермь, 1987); Научно-технической конференции «Совершенствование технологических процессов кабельного производства» (Пермь, 1988); V Всесоюзной конференции «Получение и обработка материалов высоким давлением. (Минск: 1987); VII Всесоюзной конференции «Теплофизика обработки металлов давлением». (Тольятти, 1988); Научно-технической конференции «Прогнозирование и управление качеством металлоизделий, получаемых обработкой давлением» (Абакан, 1988); научно-техническом семинаре «Новые технологии производства слоистых металлов, перспективы расширения их ассортимента и применения» (Магнитогорск, 1989); Республиканском семинаре «Технология и оборудование технологического производства» (Алма-Ата, 1989); конференции «Эффективные технологические смазки, улучшающие качество изделий при волочении» (Киев, 1990); ХXXI научно-технической конференции ИжГТУ (Ижевск, 1998); XII Зимней школе по механике сплошных сред. (Пермь, ИМСС УрО РАН, 1999); VI Международной конференции «Комплексное обеспечение качества транспортных и технологических машин» (Пенза, 2000); Международной научно-технической «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, ИжГТУ, 2000); Всероссийской научно-практической конференции «Защитные покрытия в машиностроении и приборостроении» (Пенза, 2001); Международной научно-технической конференции «Комплексное обеспечение показателей качества транспортных и технологических машин», (Пенза, 2001); VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001); Научно-технической конференции посвященной 50-летию Ижевского государственного технического университета. (Ижевск, ИжГТУ, 2002); 7-й Всероссийской научно - технической конференции «Аэро- космическая техника и высокие технологии (12-14 апреля 2004, Пермь); Международном форуме «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, ИжГТУ, 2004); 7-й Всероссийской научно - технической конференции «Аэро- космическая техника и высокие технологии» (Пермь, 2004); XIV Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, ИМСС УрО РАН, 2005); XVII Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2005); Научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении и автомобилестроении» (Ижевск, ИжГТУ, 2005); III Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2007); семинаре кафедры «Машины и технологии обработки металлов давлением» Ижевского государственного технического университета; семинаре ЦНИЛ ОАО «Чепецкий механический завод» (г. Глазов).
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 43 работы, получено 4 авторских свидетельства, 3 награды международных и российских выставок.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 243 наименований, приложений. Основная часть работы изложена на 267 страницах машинописного текста, содержит 113 рисунков, 40 таблиц.
Особенности конструкции и технологии производства проводников для CMC
По особенностям структуры композиционные изделия можно разделить на следующие типы [3]: - дисперсные, в сечении которых часть материала находится в виде дисперсных частиц; - слоистые, в сечении которых компоненты расположены слоями и имеют четкие границы; - волокнистые, в которых часть сечения заполнена материалом в виде волокон; - армированные или комбинированные, являющиеся комбинацией перечисленных выше типов.
Перечисленные типы композиционных изделий являются изделиями ответственного назначения и используются в тех случаях, когда условия эксплуатации исключают использование монометаллических изделий.
Конструкции и сферы применения композиционных изделий весьма многообразны. В данной работе рассматриваются вопросы технологии производства слоистых и комбинированных длинномерных осесимметричных композиционных изделий для изделий электротехники. Рассмотрим подробнее эти типы изделий. Слоистые композиционные изделия Слоистые композиты нашли применение в изделиях электротехники, когда требуется обеспечить электропроводность изделий в сочетании с высокой прочностью и (или) коррозионной стойкостью.
Конструкция слоистых изделий чаще всего представляет сердечник и одну или две оболочки. Наиболее широко применяются биметаллические заготовки, имеющие одну оболочку. В зависимости от сочетания прочностных характеристик металла слоев биметалла и их взаимного расположения они имеют следующие обозначения: более прочная оболочка - Т-М-Т, более прочный сердечник - М-Т-М.
Количество комбинаций металлов и сплавов в биметаллах практически неограничено и определяется служебными функциями изделий, изготовленных из них. Широко используются комбинации сталь- алюминий, сталь - медь, медь — никель и т.п.
Наружный контур биметалла и контур сердечника имеют, как правило, форму круга. В принципе, контур сердечника может быть произвольным. Наиболее распространенной и легко реализуемой технологически является конструкция, показанная на рисунке 1.1а.
В практических конструкциях для получения требуемых служебных свойств готовых изделий могут применяться триметаллические заготовки, имеющие круглый сердечник и две концентрические оболочки. Структура некоторых типов используемых в промышленности триметаллических заготовок приведена в таблице 1.1.
Комбинированные композиционные изделия Традиционной сферой применения комбинированных композиционных материалов является изготовление высокопрочных конструкций. Однако в последние десятилетия промышленное производство этого класса изделий широко развивается в связи развитием точного приборостроения, электроэнергетики. Специфическим классом таких изделий являются проводники для сверхпроводящих магнитных систем (рис.1.1б,в).
Проводники для CMC относятся к типу комбинированных изделий, так как часть сечения имеет слоистую структуру, а часть - волокнистую. На рисунке 1.2 показана микроструктура волокнистой части сверхпроводника при большом увеличении. Подробные сведения о свойствах и конструкции композиционных изделий для сверхпроводников приведены ниже.
Композиционные проводники для изготовления CMC имеют сложную структуру, которая не может быть произвольной и определяется физическими эффектами явления сверхпроводимости и требованиями безопасной эксплуатации магнитных систем [7-13]. Материалы, обладающие свойством сверхпроводимости при температурах жидкого гелия, называются низкотемпературными сверхпроводниками (НТСП).
Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 г. Г. Камерлинг-Оннесом, однако до настоящего времени учеными не создана единая теория сверхпроводимости.
Первой успешной теорией объясняющей явление сверхпроводимости, была феноменологическая теория Лондонов (1935 год), которая рассматривала электроны в сверхпроводнике как совокупность сверхпроводящих и нормальных электронов. В состоянии сверхпроводимости плотность сверхпроводящих электронов ns принималась равной плотности всех свободных электронов металла. Теория не объясняла механизм увеличения плотности сверхпроводящих электронов.
Дальнейшее развитие теория Лондонов получила в работах В.Л. Гинзбурга и Л.Д. Ландау (теория ГЛ), разработавших феноменологическую теорию, построенную на основе теории фазовых переходов второго рода.
Применив теорию ГЛ к изучению сверхпроводящих сплавов, Абрикосов А.А. (1957 год) продолжил развитие теории сверхпроводников. В его работах впервые был использован термин - сверхпроводники 2 рода.
В 1957 году появилась работа Дж. Бардина, Л. Купера и Дж. Шриффера (теория БКШ), которая объяснила явление сверхпроводимости на микроскопическом уровне. Физическая суть теории в следующем.
Достижению сверхпроводимости препятствуют процессы рассеяния электронов на дефектах решетки и, прежде всего, на тепловых колебаниях решетки - фононах. Процессы рассеяния, ограничивающие электропроводность, не могут протекать даже при наличии фононов, если спектр распределения электронов проводимости в металле имеет энергетическую щель Ещ. Опыты подтвердили наличие энергетической щели, которая возникает вследствие дополнительного взаимодействия электронов. Свободный электрон зоны проводимости, двигаясь сквозь решетку, оттягивает ионы из положений равновесия, создавая в «кильватере» своего движения избыточный положительный заряд, к которому может быть притянут другой электрон. Таким образом, два электрона движутся вокруг положительного заряда. Электроны, объединенные в пары, получили название куперовских пар (рис. 1.3).
Сверхпроводники 2 рода В настоящее время для создания технических устройств наиболее широко используются сверхпроводники 2 рода. Процесс проникновения магнитного поля в сверхпроводники 2 рода весьма специфичен.
При увеличении напряженности внешнего магнитного поля от Н0до некоторого значения внутри образца появляется магнитное поле, которое называется первым критическим полем и обозначается Нс1.
Увеличение магнитной индукции В внутри проводника будет происходить до тех пор, пока среднее значение Н внутри цилиндра не станет равным внешнему полю и все сечение проводника, кроме тонкого поверхностного слоя, перейдет в несверхпроводящее состояние. Это поле называется вторым критическим полем и обозначается Нс2.
При Н = 1,69Нс2 весь объем проводника перейдет в несверхпроводящее состояние. Значение внешнего магнитного поля, соответствующее моменту полного исчезновения сверхпроводимости, называют третьим критическим и обозначают Нс3.
Критерий поврежденности при пластической деформации
Силы трения на поверхности контакта заготовки и инструмента оказывают существенное влияние на распределение и величину напряжений в очаге деформации.
Реальный процесс трения является дискретным [177]. При трении происходит деформация частиц в тончайшем поверхностном слое (слой Сен-Венана) со скоростью, значительно превосходящей скорость деформации в объеме деформируемого тела [178]. В практических расчетах процесс трения рассматривают как непрерывный и явления, происходящие в слое Сен-Венана, отражают на некоторую идеальную поверхность, лежащую под этим слоем, и учитывают с помощью интегральной характеристики коэффициента трения, который является комплексной величиной, учитывающей физико-химические и механические условия на поверхности контакта. Способ задания коэффициента трения определяет закон трения.
В практике обработки металлов давлением для определения контактных касательных напряжений тк используется ограниченное число законов трения.
1. Закон Зибеля - тк = \х as. В процессах обработки металлов давлением закон дает хорошее соответствие экспериментальным значениям усилий и мощности деформирования. Однако существуют сложности в определении коэффициента ц., так как величина as является функцией степени деформации, температуры, скорости деформации, химического и фазового состава и т.д.
2. Соколовским В.В. [129] и Колмогоровым В.Л. предложено использовать закон трения в виде: xK=fs, где TS - сопротивления деформации сдвига; f - фактор трения, зависящий от состояния контактных поверхностей. Как и в случае закона Зибеля, есть трудности в определении фактора трения f. 3. Закон Кулона - Амонтона - xK=fnan, где an - нормальные контактные напряжения; fn - коэффициент трения. Коэффициент трения полагается неизменным для заданной пары трения и условий трения. Удобство закона Кулона-Амонтона в том, что можно определять fn, измеряя касательные и нормальные напряжения непосредственно в процессе деформирования [2]. Помимо указанных, используются законы трения, учитывающие и другие факторы контактного взаимодействия [179,180], однако они содержат коэффициенты, определение которых является сложной экспериментальной проблемой, и не имеют надежного практического подтверждения.
Возможность использования коэффициентов fn и \л подтверждается многолетней практикой обработки металлов давлением, причем при малых скоростях относительного скольжения поверхностей (осадка, прессование), наиболее применим закон Зибеля, а при высоких - закон Кулона-Амонтона. При волочении длинномерных заготовок скорость скольжения поверхностей заготовки и инструмента достаточно высокая (табл. 1.5), поэтому более оправдано применение закона Кулона-Амонтона.
Рассмотрим результаты применения закона Кулона-Амонтона (далее под коэффициентом трения подразумевается коэффициент fn) к исследованию процессов ОМД и, в частности, процесса волочения. В исследованиях [133,167,181,182] приведены данные об изменении контактных касательных и нормальных напряжений в канале волоки и указано на возможность наличия пиков напряжений на границах очага деформации.
В работе [175] исследование процесса волочения позволило сделать вывод о наличии двухпиковой эпюры распределения контактных напряжений. Высота пиков превышала значение предела текучести в 2ч-3 раза.
Расчеты по упрощенным формулам [2] также показали, что величина нормальных напряжений на входе в очаг может превышать предел текучести металла заготовки, что объяснить возникновение кольцевого износа в канале волоки. Однако полученные результаты оцениваются как маловероятные.
Коэффициент трения в указанных работах принимался равным 0,05ч-0Д0. При расчетах в процессах ОМД принимают, что коэффициент трения в режиме ГРТ находится в диапазоне 0,04-0,25 [2,15]. Однако, опыт авторов работы [199] показывает, что коэффициент fn может достигать величины 0,7.
В работе [200] описаны режимы трения некоторых металлов по алмазу, когда fn достигает величины 2,5. В работе [2] обоснована вероятность изменения коэффициента трения в диапазоне 0-Н. В работе [201] приведены данные о том, что при скольжения никеля по стали при температуре 300 -600 С коэффициент трения увеличивается до 1.
Оценим величину коэффициента трения на границе упругой и пластической зон на входе в очаг деформации при волочении с помощью приближенной формулы [2] ап упр =0/л/2) /alynp Е/[(1 + fn ctgaj (1 - v)] . Полагая, что на границе упругой и пластической зон alynp «0,las [2] и v«0,5, из приближенного условия пластичности сі] + сгп = crs получим стп = 0,9as, откуда определим - fп « (0,12 E/crs -1)- tgaB. Из полученной формулы следует, что для отожженной меди - fn =7,7 (CTS «100 МПа, Е = 12,3-104 МПа, осв =3), а для чистого никеля - fn =8,8 ( CTS = 150МПа, Е = 21 104 МПа, ав = 3 ). Результаты расчета показывают, что физически обоснованные значения нормальных напряжений на границе упругой и пластической зон могут быть получены лишь при достаточно больших значениях fn.
Влияние параметров процесса волочения и конструкции композиционных заготовок на напряженное состояние слоев заготовки
При малых углах растягивающие напряжения могут превысить предел текучести, что ведет к разрушению композита (рис.3.7а).
Если металл оболочки более прочный, то с ростом ее толщины продольное напряжение уменьшается (рис.3.7а,б).
В случае более прочного сердечника в оболочке реализуются сжимающие напряжения, величина которых растет с увеличением ав (рис.3.7в). При увеличении толщины оболочки в элементах биметалла реализуются растягивающие напряжения (рис.3.7г).
Средневзвешенное значение напряжения волочения с ростом осв уменьшается, однако увеличение осв более 8 -10 нецелесообразно. Кроме того, увеличение ав может привести к ухудшению условий смазки и, в соответствии с соотношениями полученными ранее, к повышению степени деформации за проход при одинаковой разовой вытяжке вследствие увеличения дополнительных сдвигов на входе и выходе очага деформации. Для волочения в режиме граничного трения можно рекомендовать осв «5 -=- 6 и даже 3 -ь 4, но это уменьшение должно сопровождаться мерами по снижению коэффициента трения. Влияние коэффициента трения Результаты расчета продольных напряжений на выходе из очага деформации приведены на рис.3.8.
Из рисунков видно, что с ростом коэффициента трения напряжения в слоях композита возрастают и в случае толстого и более пластичного сердечника могут превысить его предел текучести (рис.3.8а).
В случае более пластичной оболочки в ней реализуются сжимающие напряжения (3.86). Увеличение коэффициента трения ведет, как в случае волочения монометаллической заготовки, к увеличению долевых напряжений. Особенно сильно величина коэффициента трения сказывается при волочении заготовки с тонкой пластичной оболочкой (рис.3.8а). С уменьшением относительного радиуса менее пластичного сердечника влияние контактного трения также существенно возрастает (рис.3.8в).
Влияние отношения толщины слоев Rc Результаты расчета продольных напряжений на выходе из очага деформации для биметалла с более пластичной, чем сердечник оболочкой, приведены на рис.3.9. Видно, что в оболочке реализуются как растягивающие (толстая оболочка), так и сжимающие напряжения. С уменьшением толщины оболочки сжимающие напряжения возрастают по модулю.
Напряжения в сердечнике во всем диапазоне изменения относительного радиуса Rc растягивающие и возрастают с ростом Rc.
Влияние противонатяжения
Результаты расчета продольных напряжений на выходе из очага деформации для биметалла с более пластичной, чем сердечник, оболочкой, при a = 0,1GS И aq = 0,3GS приведены на рис.3.5 и ЗЛО.
В рассматриваемом варианте в оболочке реализуются сжимающие напряжения, а в сердечнике - сжимающие. Увеличение противонатяжения ведет к снижению уровня сжимающих напряжений в оболочке и росту растягивающих в сердечнике.
Для рассматриваемого варианта в слоях биметалла реализуются растягивающие продольные напряжения, величина которых возрастает с увеличением А,. Предельное значение вытяжки для сердечника составляет «1,3. Полученные результаты показывают: - при волочении биметаллических заготовок на величину и знак продольных напряжений значительное влияние оказывают отношение радиусов заготовки и сердечника R и коэффициента пластической неоднородности rj. - увеличение угла осв, вытяжки X, fn и aq ведут к росту продольных напряжений, но не меняют их знак. Влияние формы канала волоки и упрочнения В производственных условиях волоки часто подвергаются переполировке. Примем, что образующая канала переполированной волоки имеет форму близкую к параболической и описывается уравнением
Использование уравнений (в) и (г) при интегрировании полученных выше дифференциальных уравнений равновесия исключает получение компактных аналитических соотношений. Поэтому решение задачи получим численно. Алгоритм решения следующий:
1. Сечениями перпендикулярными оси разбиваем канал на участки, в пределах которых угол наклона образующей принимается постоянным.
2. На каждом участке определяем среднюю по толщине слоя степень деформации и среднее значение сопротивления деформации.
3. Определяем напряжение волочения слоев заготовки на каждом участке, принимая напряжение волочения на предыдущем участке в качестве напряжения противонатяжения.
Для определения напряжений используем одношаговый простой метод Эйлера, достоинством которого является «самостартование», а также возможность изменения шага h в процессе вычислений.
В качестве теста сравнивались численные и полученные ранее аналитические решения для конического канала и идеально-пластичного металла сердечника и оболочки. При достаточно малом шаге разность расчетов не превышает 1%, что вполне достаточно для практических расчетов. На рисунке 3.12 приведены результаты расчета продольных напряжений в слоях отожженной медной никелированной проволоки диаметром (Rc =0,94 ,Х = 1,145) с использованием конической и параболической образующей. Угол наклона образующей параболического канала на входе ав выбирался таким, чтобы его длина равнялась длине конического канала с заданным углом ав. Упрочнение металла сердечника и оболочки принималось в соответствии с данными работы [111]. Для сравнения, на рисунке 3.13 приведены результаты расчета для никелевой проволоки с медной оболочкой.
Волочение композиционных заготовок для CMC
Спроектируем маршрут волочения с использованием условия устойчивости процесса волочения (2.17). Результаты расчета показывают, что резкое уменьшение числа переходов при волочении в режиме ГРТ существенно уменьшает упрочнение металла и, несмотря на достаточно высокий уровень напряжений волочения, гарантирует выполнение условия D 1 (табл.4.5). Реализация режима СРТ позволяет еще более снижения поврежденность металла заготовки (табл.4.6).
Результаты расчета показывают, что с увеличением угла наклона образующей канала волоки ав напряжение волочения авол несколько уменьшается за счет снижения долевого напряжения в сердечнике, составляющем большую часть сечения, хотя долевое напряжение в оболочке стх1 несколько возрастает (табл.4.4). При волочении в режиме СРТ плотность дефектов с ростом ав практически не увеличивается.
При волочении, как в граничном, так и в смешанном режиме трения для заданных выше значений вытяжки условие D 1 выполняется для оболочки и сердечника композиционной проволоки.
Полученные выше результаты показывают, что одной из наиболее эффективных мер снижения усилия волочения и дефектности заготовки, помимо улучшения условий трения, является уменьшение дробности деформации.
В механике композитов широко используется феноменологический подход, особенность которого заключается в том, что механические свойства компонентов задают с помощью общепринятых в механике феноменологических уравнений, а макроскопические свойства композита определяются путем осреднения по элементарному микрообъему.
Применительно к процессу волочения такой подход реализован работах Перлина И.Л., Аркулиса Э.Г., Залазинского А.Г. и др, в которых для определения интегральных характеристик процесса волочения композиционных заготовок рекомендуется использовать средневзвешенное значение сопротивления деформации, определяемое по формуле (1.32).
Используем формулу (1.32) для определения макроскопических пластических характеристик двухкомпонентного сердечника композиционной заготовки, для которого зависимости сопротивления деформации компонентов имеют вид
В настоящее время на ОАО «Чепецкий механический завод» (г. Глазов) идет подготовка к производству двух типов сверхпроводников - на основе сплава NbTi и на основе интерметаллида Nb3Sn.
Рассмотрим процесс многопереходного волочения заготовок на основе сплава NbTi. Заготовка представляет армированный композит, сечение которого может быть представлено схемой, приведенной на рисунке 1.6 для биметалла. Оболочка заготовки (Rc =0,8) выполняется из меди, а сердечник является двухкомпонентным композитом, в котором волокна из сплава NbTi расположены в матрице из меди (а = 0,25). Механические свойства компонентов композиционной заготовки определены в соответствии с данными работы [222] сплав На рисунке 4
Технология волочения таких заготовок, рекомендуемая организацией-разработчиком (ВНИИНМ им. акад. А.А. Бочвара, г. Москва), включает: волочение на цепном стане с диаметра 68,0 мм на диаметр 28,5 мм; волочение на машине ВСГ-2500 с диаметра 28,5 мм до диаметра 13,1 мм; волочение на машине ВСГ-1000 с диаметра 13,1 мм до диаметра 6,0 мм; обточку заготовки на диаметр 5,8 мм; волочение на машинах типа ВСМ-450 с диаметра 5,8 мм на диаметр 0,76 мм; твистирование; волочение с диаметра 0,76 мм на диаметр 0,7 мм. Рекомендуемые вытяжки на переходах находятся в интервале 1,15-1,23.
Расчет с использованием критерия D показывает (табл.4.7), что усилие волочения при грубом волочении (в соответствии с принятой в данной работе классификацией) изменяется в интервале 2,1+36,4 Тс, при среднем волочении -в интервале 120+800 кГс, при тонком волочении - 8+12 кГс. Долевые напряжения в слоях заготовки находятся в интервале (0,3-0,4)CTS. Достигаемая степень деформации сдвига перед отжигом - Л « 5+6.
В качестве наиболее ответственного элемента композиционной заготовки, определяющего его служебные свойства, принимался сердечник. Для деформирования без накопления неустраняемых дефектов в объеме сердечника таких отжигов необходимо не менее 4. Отжиг после волочения с диаметра 1,3 мм до 0,7 мм отжиг не проводится, так как дефектность структуры (плотность дислокаций) должна быть близка к предельной, чтобы обеспечить эффект пиннинга. Расчет показывает, что в этом случае для сердечника и оболочки величина технологического критерия поврежденности D находится в интервале 0,6+0,7. В таблице 4.7 жирным шрифтом отмечены переходы, после которых разработчиком рекомендуется проводить отжиги. Видно, что расчетные и рекомендуемые переходы близки.
Расхождение расчетных значений усилия волочения от значений, полученных в ходе опытных работ, составляет не более 10-15%. Такая точность удовлетворяет практическим потребностям и позволяет комплектовать необходимый парк волочильного оборудования.
Рассмотрим возможность сокращения маршрута тонкого волочения композиционных заготовок для сверхпроводников диаметром менее 1,3 мм за счет улучшения условий трения при ограничении, что значения технологического критерия поврежденности для элементов композиционной заготовки не будут превышать полученных выше.
