Содержание к диссертации
Введение
1. Методы Представления Процесса Поверхностного Контактирования 6
1.1. Контактное трение, виды и известные методы его описания 6
1.2. Методы описания профиля поверхностей 9
1.3. Методы описания напряженного состояния в процессах обработки металлов давлением 17
1.4. Методики расчета коэффициента трения 22
1.5. Выводы, цель и задачи исследования 32
2. Исследование процесса контактного взаимодействия как некомпактной среды 35
2.1. Подход к описанию поверхностного слоя как некомпактной среды 35
2.2. Система допущений и математический аппарат описания модели поверхностного контакта 36
2.3. Выбор функции пористости и оценка применимости законов трения Амонтона-Кулона и Зибеля 40
2.4. Выводы по главе 51
3. Компьютерная модель процесса контактного взаимодействия 53
3.1. Структура разработанной компьютерной модели 53
3.2. Исходные данные и построение профилей шероховатости при компьютерном моделировании 55
3.3. Стадийность в процессе моделирования процесса контактирования 59
3.4. Расчет дополнительных величин и статистическая обработка данных моделирования 65
3.5. Выводы по главе 67
4. Анализ силовых параметров процесса контактного трения на основе опыта однократного волочения 69
4.1. Постановка задачи экспериментального исследования 69
4.2. Опыт, моделирующий процесс контактного трения при обработке металлов давлением 71
4.3. Моделирование на базе «Эейнгт-ЗО» 74
4.4. Моделирование на базе разработанной модели и сравнительный анализ полученных результатов 82
4.5. Корректировка режимов листовой горячей прокатки в условиях ЛПЦ №9 ОАО «ММК» 85
4.6. Выводы по главе 97
Заключение 99
Список использованных источников 100
Приложения 110
- Методы описания профиля поверхностей
- Система допущений и математический аппарат описания модели поверхностного контакта
- Исходные данные и построение профилей шероховатости при компьютерном моделировании
- Моделирование на базе «Эейнгт-ЗО»
Введение к работе
Актуальность работы. Любой технологический процесс, в том числе и процессы обработки давлением, сопровождаются возникшими на поверхностях силами трения, которые оказывают большое влияние на силовой режим деформации, характер формоизменения, износ инструмента, качество металлоизделий. Важность изучения контактного трения и его влияния на процессы ОМД очевидна.
Исследованием взаимодействия инструмента и деформируемой среды занималось большое число научных школ и ученых, в том числе И.В. Крагельский, Н.Б. Демкин, Н.М. Михин, Б.Е. Хайкин, И.Я. Тарновский, А.Н. Леванов, Б.В. Дерягин, А.П. Грудев, Е.И. Исаченков, М.Н. Добычин, В.С. Комбалов, В.Л. Колмогоров, Г.Л. Колмогоров, Ю.Н. Дроздов, Я.Е. Бельгейзимер, Шустер Л.Ш., Ю.В. Зильберг, Ю.В.Жиркин, В.П. Анцупов, К. Джонсон и другие.
Величиной, позволяющей оценить силовое воздействие двух контактирующих тел при их перемещении относительно друг друга и находящихся под действием сжимающей нагрузки, является коэффициент трения . В литературе описаны различные аналитические зависимости для определения коэффициента трения, которые имеют ряд недостатков. Некоторые модели основаны на использовании упрощенных макромеханических моделей сопряжения поверхностей, а соответствующие им аналитические выражения, не учитывают влияние различных факторов контактного взаимодействия, таких как, величины параметров шероховатости, пластические свойства материала, изменение механических свойств поверхностного слоя при его деформации. Имеется ряд сложных математических записей для определения коэффициента трения, содержащих величины и константы не имеющих четкого физического смысла, что затрудняет их использование при решении инженерных задач.
Таким образом, является актуальным и необходимым решение вопроса разработки методики оценки коэффициента трения в процессах ОМД, подразумевающего описание данной величины через количественные конечные зависимости, учитывающие геометрические и реологические свойства контактирующих поверхностей.
Актуальность работы подтверждена поддержкой программ различного уровня, финансируемых из средств федерального бюджета (ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»; АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы»).
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является формализация и получение факториальной зависимости значения коэффициента трения в условиях отсутствия гидродинамической составляющей смазки с учетом параметров шероховатости контактирующих поверхностей, напряженного состояния на контакте и изменения механических свойств обрабатываемой заготовки в процессе деформации.
Указанная цель реализуется решением следующих задач:
Проведение обзора и исследования имеющихся подходов к описанию процесса контактного взаимодействия и поверхностного слоя;
Разработка новой методики определения коэффициента трения при моделировании процессов контактного взаимодействия, основанной на представлении области контакта как некомпактной среды;
Разработка компьютерной модели, позволяющей осуществлять моделирование, основой которого является разработанная методика и полученные численные зависимости для определения коэффициента трения;
Подтверждение адекватности разработанной модели, полученных аналитических и математических выкладок;
Использование разработанного подхода, программного обеспечения и полученных аналитических зависимостей для корректировки технологических режимов горячей листовой прокатки.
Научная новизна заключается в следующем:
Предложен и научно обоснован подход к описанию области контактирования двух поверхностей как некомпактной среды, образующейся при взаимном внедрении пиков неровностей инструмента и обрабатываемой заготовки;
С использованием математического аппарата механики некомпактных сред получены аналитические зависимости для определения коэффициента трения при обработке металлов давлением с учетом параметров шероховатости контактирующих поверхностей, напряженного состояния на контакте и изменения механических свойств обрабатываемой заготовки в процессе деформации;
Установлены области допустимых значений коэффициента трения в процессах обработки металлов давлением при использовании законов трения Амантона-Кулона и Зибеля;
Обосновано применение функций пористости Грина для определения коэффициента трения на основе разработанного подхода и предложенных аналитических зависимостей.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
На основе предложенного алгоритма математической модели разработано программное обеспечение, позволяющее осуществлять моделирование изменения коэффициента трения при обработке металлов давлением;
Результаты диссертационной работы, материалы исследований и разработанное программное обеспечение «Автоматизированный расчет коэффициента пропорциональности в законе трения» были использованы при расчетах технологических режимов обжатий в условиях листопрокатного цеха № 9 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». На основании результатов проведена корректировка технологических карт и параметров модели второго уровня автоматизации стана горячей прокатки 5000.
Результаты диссертационной работы рекомендуется использовать в учебном процессе высших учебных заведений при подготовке инженеров по специальности 05.16.05 – Обработка металлов давлением;
Использование разработанного программного обеспечения, учитывающие влияние геометрических параметров поверхностей, напряженного состояния и механических свойств на поверхности контакта на величину коэффициента трения, позволяет, производить расчет энергосиловых параметров для различных процессов ОМД.
Реализация работы.
Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в учебный процесс ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им Г.И. Носова» при подготовке инженеров по специальности «Обработка металлов давлением» и «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия».
На основе разработанного подхода и компьютерной модели проведена корректировка технологических карт и модели прокатки второго уровня автоматизации стана горячей прокатки 5000 при производстве горячекатаного листа толщиной 14мм из стали марки К52 по ТУ 14-1-5586-2009 «Прокат листовой горячекатаный из стали классов прочности К52-К60, предназначенной для изготовления электросварных прямошовных труб диаметром 1020мм и 1067мм для магистральных нефтепроводов “ВСТО-2”, “БТС-2”».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены и обсуждены на научно-технической конференции «Неделя металлов в Москве» ОАО АХК ВНИИМЕТМАШ им. А.И. Целикова (г. Москва, 2009), ежегодных научно-технических конференциях ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (2007, 2008, 2009 гг.), научных семинарах кафедры динамики и прочности машин при ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет» (г. Пермь, 2009) и кафедры наноматериалов научно-исследовательского института физики перспективных материалов при ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (г. Уфа, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, из них 2 в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Текст диссертации изложен на 112 страницах машинописного текста, иллюстрирован 45 рисунками, содержит 11 таблиц и 66 формул и 3 приложения на трех листах. Библиографический список включает 105 наименований.
Методы описания профиля поверхностей
В процессах обработки давлением одним из актуальных вопросов является аспект представления и описания поверхности контактирующих поверхностей. В настоящее время профиль поверхности, в общем случае, принято разделять на три основные группы (рис. 1.1.): - отклонение формы; - волнистость; шероховатость. Отклонение формы легко представить себе, как некое единичное включение в общей картине профиля поверхности. При рассмотрении таких понятий как волнистость и шероховатость принято основным отличительным параметром выделять частотную характеристику [10 - 11], для волнистости параметр повторимости включений (частота) меньше по сравнению с аналогичным параметром описания шероховатости. Методы оценки и модели профилей поверхности развивались от простейших визуальных представлений с помощью эталонов и усредненных параметров профиля до более сложных представлений на языке фрактальных моделей. Возможно выделить 5 основных способов [12]: - визуальное описание; - описание с помощью усредненных параметров профиля [13, 14]; - описание с помощью вероятностных функций (функции плотности вероятности (ФПВ), корреляционных (КФ) и спектральных (СФ) функций) [15]; - пропускание информации о профиле через фильтры с параметром отсечения шага (базовая длина) [16, 17, 18]; - описание на языке фрактальных моделей [12, 19]. В обработке металлов давлением в основном применяются модели второго и третьего способа, а в современной триботехнике чаще используется четвертый способ представления. Более обобщенно профили реальной поверхности можно представить тремя способами: - профиль, как детерминированный процесс с фиксированным периодом Т [9, 17, 18]; - профиль, как гармонический процесс с заданной модуляцией по амплитуде и частоте [20, 21]; - профиль, как случайный процесс с заданным распределением ординат профиля и заданным видом корреляционной функции [16, 22, 23]. Практические исследования показывают, что реальная модель поверхности чаще всего представляется как суперпозиция этих трех процессов. В области трения и износа Крагельским И.В. были предложены одни из первых обобщающих моделей поверхностей [12, 13]. Суть моделей заключается в том, что профиль представляется как чередование фигур с заданным периодом (треугольник, прямоугольник, трапеция и т.п. профили). В дальнейшем данный подход получил развитие в работах ученых Демкина Н.Б.[17], Польцера Г. и Майсснера Ф.[18], Дроздова Ю.Н. [24] и других [25, 26, 27, 28]. Простейшими моделями являлись плоские, для которых описывается форма сечения профиля шероховатости и предполагается, что по всей ширине рассматриваемого участка поверхности сечение аналогично. Наиболее простым является представление профиля в виде плоскости (рис. 1.2. а), для которой характерно отсутствие каких-либо пиков и углублений. Другим простым представлением поверхностного слоя является описание с помощью чередующихся геометрических форм. Наиболее широко применяемыми являются чередование треугольников (рис. 1.2. б, ж), трапеций (рис. 1.2. в), прямоугольников (рис. 1.2. г), полусфер (рис. 1.2. д). Чередование фигур может, как подчиняться какому-либо закону распределения (рис. 1.2. б, в, д, е, з), например, часто применяют гармонические законы (рис 1.2. е), так и носить хаотичный характер расположения и размеров (рис. 1.2. г, ж).
Такое представление дает возможность производить анализ простых математических уравнений при описании взаимодействия поверхностей.
Дальнейшее развитие при описании профиля шероховатости было основано на пространственной (объемной) модели. Данный подход предполагает рассмотрение профиля поверхностного слоя не в одном сечении, а как совокупность гео
Данные геометрическое фигуры имеют относительно простое математическое описание в трехмерной системе координат, а при изучении взаимодействия таких фигур расчет напряженно-деформированного состояния является относительно простым для получаемых аналитических зависимостей.
Контакт двух поверхностей при различии параметров шероховатости двух контактирующих поверхностей подразделяют на две модели контакта [18]: 1) контакт двух шероховатых поверхностей; 2) контакт гладкой поверхности с шероховатой. Например, при описании контакта двух поверхностей предполагают, что одна поверхность будет представлять гофрированную гармоническую поверхность, а вторая представлена в виде гладкой поверхности.
Гольник Э.Р. при моделировании процесса изнашивания поддерживает мнение о том, что моделирование шероховатости должно выполняться набором сфер, расположенных по высоте согласно принятому условию подобия натуры и модели. При этом сферы имеют одинаковый радиус, полученный осреднением радиусов кривизны микронеровностей.
Носко А.Л и Носко А.П. отмечают [25], что при описании процессов трения и изнашивания используется математико-физическое моделирование. В силу того, что технические устройства и системы становятся все более сложными, а их экспериментальные исследования требуют значительных материальных ресурсов и затрат времени, долю физического моделирования стремятся максимально уменьшить. При этом современное развитие численной математики и вычислительной техники позволяет с достаточной точностью описать процессы, происходящие на фрикционном контакте. В качестве модели поверхности трения накладки принята стержневая модель круглого сечения [24, 29], одним из основных параметров которой является радиус выступа г, выбираемый из условиягде - средний шаг волны, полученной при обработке профилограмм, мм.
Поверхность трения моделируется двумерной изотропной волнистостью [29], при которой продольная амплитуда Ах и шаг Л волны соответственно равны поперечной амплитуде А2 и шагу волны. Часто при рассмотрении процесса трения используют следующий комплекс [25] описания параметров шероховатости г где г - радиус выступа, мм; + - приведенный размер шероховатостей абразивных частиц, мм. Данный комплекс характеризует микро- и макрогеометрию контактирующих тел. Помимо этого, встречается понятие характерного размера абразивной частицы ("), режущей шероховатости, условно равной приведенному размеру шероховатостей + . Еще одним из критериев описания шероховатости поверхностного слоя является фактор Крагельского - Комбалова [26]где тлх - наибольшая высота неровностей профиля, мм; гш - приведенный радиус неровностей, мм; Ьш,иш - параметры опорной кривой.
Недостатком классических описаний контакта шероховатых поверхностей [19] является необходимость точной информации о геометрических параметрах неровностей (особенно о радиусах кривизны выступов неровностей) и о распределении
Система допущений и математический аппарат описания модели поверхностного контакта
Моделирование процесса контактного взаимодействия (трения) осуществляется с учетом следующих основных допущений:1) Вследствие значительного градиента механических свойств материала, из которого изготовлен инструмент (волока), и материала обрабатываемой заготовки (проволока) предполагается, что инструмент характеризуется как абсолютно жесткий.2) Учитываются физико-механические свойства только материала обрабатываемой заготовки (проволоки) через полином упрочнения вида А х А х Ч" А х "Н А0 — 0.3) Предполагается, что в условиях описываемого трения, пустот (карманов) между пиками и углублениями шероховатостей поверхностей достаточно для того, чтобы не возникало гидродинамической составляющей при наличии смазного слоя. Таким образом, модель не учитывает влияния третьего смазочного слоя и представляет собой модель описания граничного трения.4) С учетом новизны подхода и необходимости первой проверки его адекватности, принято, что деформированное состояние представляется как плоское,которому соответствуют компоненты тензора напряжений о хх и ху 5) При численном моделировании расчет деформационных параметров, а именно величины относительного обжатия и сопротивления деформации поверхностного слоя, ведется дискретно. Учет данных параметров осуществляется отдельно для каждого деформируемого пика поверхности обрабатываемой заготовки.6) На базе использования основ механики некомпактных сред, при деформации пиков шероховатости поверхностного слоя обрабатываемой заготовки не выполняется условие постоянства объемом. Это связано с тем что, во-первых, не учитывается одна из основополагающих гипотез механики сплошной среды - гипотеза о сплошности, а, во-вторых, предполагается, что часть деформируемого металла, вследствие износа, за счет массопереноса удаляется из области контактирования.
После первого этапа контактирования поверхностей с увеличением внешних силовых воздействий происходит упругая и пластическая деформация поверхностных слоев.
Критерием возможности пластического течения является выполнение условия пластичности, которое в механике некомпактных сред учитывает степень некомпактности материала через функции пористости [33]. Проведенный анализ известных аналитических зависимостей показывает, что, наиболее полно и адекватно условие пластичности некомпактных пористых материалов описывается зависимостью, предложенной в работе [33] Г.Л. Петросяном (1.21) напряжений, Н/мм2; сг0 - среднее напряжение, Н/мм2-, у8 - предел текучести материала, Н/мм2; а,р - функции пористости. На основе предложенного при моделировании процесса контактного трения допущения, для плоского деформированного состояния, которому соответствуют компоненты тензора напряжений Ухх и "ху тензор напряжений представлен в виде а = 0 0 0 Величина гидростатического давления или среднее напряжение сг0, определяемое по формуле (1.11), при наличии только компонентов тензора сг и ст примет вид Интенсивность напряжений уи определяется по формуле (1.12) и, соответственно, принимает вид Возведение полученных выражений (2.1) и (2.2) во вторую степень и проведение нескольких математических преобразований дает следующие результаты пластичности для пористых материалов Петросяна (1.21) приводит к следующим математическим зависимостям Таким образом, выражая величины, входящие в условие пластичности (1.21) через 1-ый инвариант тензора напряжений (2.1) и 2-ой инвариант девиатора напряжений (2.2), после проведения математических преобразований можно получить следующие выражения для компонента тензора напряжений сг ху: Р а-1 где а,/3 - функции пористости; - предел текучести материала; Ухх - нормальное напряжение. Сопоставляя выражения (2.6) и (2.7), соответственно, с выражениями (1.4) и (1.5), можно сделать вывод, что их математический смысл идентичен законам Амонтона-Кулона (г = М"п) и Зибеля (У — //сг5). В частности, суху касательному напряжению (Т ), & хх нормальному напряжению (&„), сг5 - сопротивлению материала деформации. Второй множитель в правой части уравнений (2.6) и (2.7) представляет собой некоторый коэффициент пропорциональности, известный в законах Амонтона- Кулона и Зибеля, как коэффициент трения , т.е. для закона Амонтона-Кулона Данные коэффициенты пропорциональности являются функциями от пористости, нормального напряжения и сопротивления деформации материала. Отно шение условно обозначим.как коэффициент нормального давления [90]. (Тс Таким образом, данный коэффициент пропорциональности является качественной и количественной характеристикой описания коэффициента трения, учитывающей геометрические особенности поверхностных слоев инструмента и об- Наиболее широко из известных в литературе для определения функций пористости используются зависимости, предложенные Штерном — Скороходовым (1.22), Шиме - Ояме (1.23), Петросяном (1.25) и Грином (1.24) [33]. Проведен анализ возможности использования при подстановке в уравнения (2.8) (2.9) численных значений функций пористости, полученных по известным зависимостям (1.22) - (1.25). Критериями выбора функций пористости являлись максимально возможная область допустимых значений коэффициента пропорциональности и его значений, имеющих физический смысл как коэффициент трения. В результате подстановки функций пористости, описываемых уравнениями (1.22) - (1.25) в уравнения (2.8) и (2.9) и их варьирования были получены результаты, представленные в табл. 2.1 — 2.4 и на рис. 2.2. - 2.9. Проведение сравнительного анализа полученных зависимостей (2.8) и (2.9) для различных значений пористости с использованием законов трения Амонтона- Кулона и Зибеля дает возможность оценить помимо влияния на коэффициент пропорциональности коэффициента нормального давления возможность применения функций пористости различных авторов (рис. 2.10.). Использование законов трения Зибеля и Амонтона-Кулона для описания контактного взаимодействия материалов как пористых дает весьма узкий диапазон изменения значений коэффициента пропорциональности при различных значениях пористости. Так, например, для пористости 0,1 с применением закона Зибеля и функций пористости Грина коэффициент трения определен в области [0,16; 0,48], для пористости 0,7, при тех же расчетных формулах, область резко сокращается до [0,09; 0,15].
Исходные данные и построение профилей шероховатости при компьютерном моделировании
Ввод данных представляет собой набор нескольких величин, для4 которых определена возможность варьирования при моделировании (рис. З.2.): 1РЛсм - длина рассматриваемого участка при моделировании процесса контактирования, мкм; МАХ - максимально возможная высота пика шероховатости поверхности 2 (обрабатываемый материал), мкм; Ъ\мах - максимально возможный шаг смены угла наклона пика шероховатости поверхности 1 (инструмент), мкм; \МАХ - максимально возможный шаг смены угла наклона пика шероховатости поверхности 2 (обрабатываемый материал), мкм; ах,а2,аъ - коэффициенты полинома упрочнения для обрабатываемого материала вида: Одним из допущений при моделировании процесса контактного трения является предположение, что материал инструмента абсолютно жесткий. Рассматриваются и учитываются пластические характеристики только одного обрабатываемого материала. Реологические свойства обрабатываемого материала заданы при помощи полинома упрочнения 3-ей степени (3.1). Значения коэффициентов полинома были определены после обобщения известных кривых упрочнения [103, 104]. Таким образом, полином упрочнения для стали 10 можно представить в виде: о = 0,0009- г3 -0,1536-2 +13,528 а+265,99. Построение поверхностей осуществляется с использованием случайно полученных величин. Каждая из поверхностей представляется как массив элементов с(/) и соответственно для поверхности 1 и 2. Координатами каждой точки профиля поверхности определены следующие параметры: - абсциссой точки поверхностного слоя численно является порядковый номер элемента массива (1 ); - ординатой точки поверхностного слоя численно является значение 1-го элемента массива ( с{г) и (0 соответственно). Значения элементов массивов и шагов смены угла наклона пика шероховатости поверхностей 1 и 2 являются случайно сгенерированными величинами, подчиняющимися закону нормального распределения. Расчет нескольких элементов массива, описывающих профиль поверхности 1 (рис. З.З.), выполняется в следующей последовательности: - Случайным образом получаем значение ьго элемента с{г). Граничным значением минимально возможным для высоты пика профиля является ноль. Верхняя граница значения высоты пика профиля определено значением \К{АХ, которое получено ручным вводом исходных данных. Координаты точек профиля поверхностного слоя представляются как - (1, с (г) ).
Шаг смены угла наклона также определяется случайным образом. Данная величина на рис. 3.3. численно равна проекции отрезка АВ, т.е. кй). После генерации данной величины получены координаты следующей точки профиля поверхностного слоя - (к; с{к)). Координаты точек профиля поверхностного слоя для значений по оси X от \ до к определяются с шагом +1, т.е. с(/ + 1),с(/ + 2),с(/ + У)...с(к -2),с(к - I) . Расчет данных промежуточных значений проводится с использованием закона подобия треугольников (например, для элемента с(/ + 1) - ААВС и АИВЕ). Полученные значения округляются до целочисленного значения, так как графическое построение ведется в пиксельном пространстве, для которого определен такой тип переменных. Построение кривых, описывающих профиль поверхностей, производится в циклической процедуре. Длина данной процедуры определена задаваемой длиной рассматриваемого участка 1РАСм Частный пример результата построения данных кривых представлен на рис. 3.4. - По аналогии с предыдущими пунктами производится построение второй кривой, описывающей профиль поверхности 2. Построение профиля поверхности 2 осуществляется со смещением по оси У на величину \МАХ +1, что необходимо для того, чтобы не происходило заблаговременное нежелательное графическое наложение одного профиля поверхности на другой. 3.3 Стадийность в процессе моделирования процесса контактирования На основе предложенной постановки к рассмотрению области поверхностного контактирования и использования математического аппарата механики некомпактных сред возникает вопрос о возможности сопоставления с теми или иными уже известными процессами в порошковой металлургии. Анализ основных процессов деформирования некомпактных материалов, среди которых известны прокатка, прессование, спекание и др, позволяет отметить, что чаще всего принято выделять некую стадийность процесса. Рассматривая процесс прессования можно выделить 3 этапа: Вьиоа Юо - стадия свободной засыпки обрабатываемого порошкового материала. Характеризуется данная стадия тем, что фактическая площадь контакта частиц порошко вого материала наименьшая, а значение величины относительной пористости материала наибольшая; - стадия утряски порошкового материала. Для данной стадии характерно перераспределение частиц порошкового материала без приложения значительной направленной деформирующей нагрузки. При этом происходит небольшое увеличением фактической площади контакта частиц и уменьшение величины относительной пористости обрабатываемого материала; - стадия пластической деформации — собственно прессование. Характеризуется изменением физико-механических характеристик обрабатываемого материала и значительным перераспределением частиц порошка, их упрочнением и некоторым спеканием. Величина относительной пористости в процессе прессования значительно уменьшается и, соответственно, увеличивается фактическая площадь контакта. В соответствии с данными положениями проведена аналогия и в разработанной модели и также выделено 3 этапа контактирования поверхностей: - этап первичного сведения; - этап вторичного сведения; - этап пластического сведения. Этап первичного сведения поверхностей при моделировании контактного взаимодействия осуществляется до первого, единичного контакта. Контактом считается момент сведения (рис. З.5.), когда хотя бы для одного элемента массива, описывающего профиль шероховатости поверхности 1, определена взаимосвязь со значениями элемента массива, описывающего профиль шероховатости поверхности
Моделирование на базе «Эейнгт-ЗО»
Исходной заготовкой для проведения опыта однократного волочения являлись 9 образцов с различными параметрами шероховатости (рис. 4.2.).
Материалом обрабатываемых образцов была выбрана марка стали 10. Образцы были отобраны с горячекатаной катанки диаметром 8,5мм и для получения минимальных высотных параметров шероховатости были подвергнуты предварительному калиброванию до диаметра 8,3мм. Для снятия поверхностного наклепа, полученного вследствие предварительной протяжки образцы в дальнейшем подвергались термической обработке в виде рекристаллизационного отжига. Отжиг проводился при температуре 650 С в течение 1 часа 30 минут. Для уменьшения степени окалинообразования образцы перед нагревом заключались в глинистую оболочку, которая легко удалялась после проведения термической обработки.
Для получения других параметров шероховатости 6 из 9 образцов подвергались абразивной обработке с использованием абразивного полотна для зачистки, называемого «шкуркой»: 3 образца из 6 подверженных данному виду операций зачищались одним видом полотна, 3 - другим.
Замеры величин параметров шероховатости производились согласно ГОСТ 2789-73 «Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики» в лабораторных условиях на базе предприятия ЗАО «БелМаг», г. Магнитогорск. Оборудо ванием для проведения замеров являлся сертифицированный, прошедший поверку, профилограф «Петрометер 82», внешний вид которого представлен на рис. 4.3. Замеры параметров шероховатости подготовленных образцов производились в случайном порядке. Их значения представлены в таблице 4.1.
Опыт и компьютерное моделирование процесса контактного взаимодействия поверхностей при обработке металлов давлением в программном обеспечении «БеАогт-ЗВ» осуществлялись на основе процесса однократного волочения сдиаметра 8,3мм до диаметра 8,0мм, суммарное относительное обжатие, таким образом, составило 3,6%. Выбор малой величины обжатия обусловлен не попытками воспроизвести технологический процесс волочения (для процессов обработки металлов давлением характерны высокие обжатия, усилия и скорости деформаций), а, прежде всего, необходимость смоделировать процесс трения в первом его приближении к процессам обработки давлением.
Процесс однократного волочения через монолитную волоку осуществлялся в условиях ЗАО «ММК-Метиз» на испытательно-растяжной машине «РМ-20», прошедшей сертификацию и поверку. В процессе проведения опыта фиксировалась средняя величина усилия волочения при установившемся процессе. Результаты опыта протяжки 9 образов с различными параметрами шероховатости представлены в таблице 4.2.
Полученная экспериментальным методом величина среднего усилия волочения, приведенная в таблице 4.2, используется для косвенного определения коэффициента трения путем сравнительного анализа с данными, полученными при компьютерном моделировании на основе программного обеспечения «Deform- 3D». Интерфейс программы «Deform-3D v.6.1.1.06 Service Pack 1», с представленным инструментом и обрабатываемой заготовкой, приведен на рис. 4.4.
На основе системы допущений материал инструмента задавался как абсолютно жесткий. Для возможности сопоставления результатов 2-х видов моделирования процесса (опыта и модели «Deform-3D») геометрические размеры инструмента заданы согласно замерам волоки, применяемой при опыте волочения. Таким образом, процесс протяжки осуществлялся также с диаметра 8,3мм до диаметра 8,0мм.
При моделировании с использованием программного обеспечения «Оейэгт- ЗЭ», реологические свойства заготовки устанавливались автоматически для аналога стали 10. Аналог выбран согласно системе кодов Американского института черной металлургии - Общества инженеров автомобильного транспорта А181-8АЕ как марка 1010 [105]. Сопоставление кривых упрочнения, полученных на базе «ОеГогт-ЗЭ» и известных литературных данных [104], показали их идентичность.
Моделирование в «ВеАэгт-ЗО» основано на использовании метода конечных элементов, где единичный элемент сетки разбиения обрабатываемого материала представляет собой тетраэдр (рис. 4.5. а).
Функции данного программного обеспечения разнообразны и позволяют определять различные параметры процесса и характеристики материала при деформации, например, на рис. 4.5. б представлено графическое отображение распределения интенсивности напряжений по сечению образца на одном из шагов моделирования.
Конечный элемент, как описано выше, представляет собой тетраэдр с гранями, минимальный размер которых 0,1мм, а максимальный 0,2мм. Количество элементов разбиения обрабатываемой заготовки приблизительно составляет 155000.
Моделирование процесса волочения является поэтапным с величиной шага раной 1/3 минимального размера граней тетрайдера — 0,033мм. Количество шагов было определено равным — 600. Таким образом, процесс волочения представлял собой протяжку при деформируемой длине образца не менее 50мм.
Процесс волочения моделируется в условиях холодной пластической деформации стали 10 при комнатной температуре, принятой равной 20С, при скорости волочения 50мм/с (0,5 м/с).
При моделировании на базе «ВеАэгт-ЗБ» фиксируется и анализируется, по аналогии с опытом волочения, усилие волочения при различных значениях коэффициента трения.
Коэффициент трения в данной модели задается как численная неизменная абсолютная величина. Для возможности анализа его влияния на процесс, а именно на величину усилия волочения коэффициент трения был принят в диапазоне от. 0,05 до 0,25 с периодичностью 0,05.
Тем самым, на базе «Оейэгт-ЗВ» было получено несколько графических интерпретаций (рис. 4.6. — 4.10.). Анализ полученных графических зависимостей усилия волочения при различных значениях коэффициента трения позволил оценить влияние данной величины (коэффициента трения) на усилие волочения.
При моделировании производилось 5 повторных генераций процесса волочения и для удобства использования в таблице 4.3 приведены усредненные, и округленные величины усилия волочения при установившемся- процессе, а в качестве примера- величины отдельных генераций.
По данным, приведенным в таблице 4.3, построена графическая зависимость, усилия волочения от коэффициента трения при калибровании проволоки из марки стали 10 по маршруту 8,3мм-8,0мм (рис. 4.11.)..
