Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса производства круглых биметаллических прутков и биметаллических электродов искровых свечей зажигания ДВС 10
1.1. Преимущества, применение и получение слоистых металлических изделий 10
1.2. Влияние геометрических параметров биметаллического изделия на его физико-механические свойства 11
1.3. Медно-никелевый электрод свечи зажигания ДВС - биметаллический пруток с боковой и торцевой оболочкой 13
1.4. О производстве биметаллических электродов в России и за рубежом 17
1.5. Совместное прямое выдавливание — основной способ изготовления круглых биметаллических прутков 18
1.5.1 Специфика холодного прямого выдавливания 19
1.5.2 Разновидности конструкций исходных биметаллических заготовок 20
1.5.3 Особенности течения металлов при совместном выдавливании 25
1.5.4 Влияние условий деформирования на пластическое формоизменение оболочки биметаллических прутков при выдавливании 31
1.6. Выводы, цель и задачи исследований 38
ГЛАВА 2. Материалы и методики исследований 41
2.1. Материалы исследований 41
2.2. Образцы для испытаний 44
2.3. Методика определения условий осуществления устойчивого процесса прямого выдавливания биметаллических прутков 45
2.4. Исследование процесса холодного прямого выдавливания биметаллических прутков в системе моделирования Deform 2D 46
2.5. Методика экспериментального исследования процесса холодного прямого выдавливания биметаллических прутков 47
2.6. Методика определения коэффициента теплопроводности биметаллического электрода 49
2.7. Математическая обработка результатов экспериментальных исследований 51
2.7.1 Планирование эксперимента 51
2.7.2 Статистическая обработка результатов экспериментов 52
2.8. Выводы по главе 53
ГЛАВА 3. Исследование влияния формы и размеров оболочки биметаллического электрода на его теплопроводность 54
3.1. Аналитическое исследование влияния формы и размеров оболочки биметаллического электрода на его теплопроводность 54
3.2. Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности биметаллического электрода 60
3.3. Выводы по главе 63
ГЛАВА 4. Теоретическое исследование пластического формоизменения оболочки биметаллического прутка при холодном прямом выдавливании 64
4.1. Аналитическое исследование пластического формоизменения оболочки биметаллического прутка 66
4.1.1 Формоизменение оболочки прутка, полученного из заготовки с поперечной слоистостью 66
4.1.2 Формоизменение оболочки прутка, полученного из заготовки с продольно-поперечной слоистостью 80
4.2. Исследование пластического формоизменения оболочки биметаллического прутка в системе моделирования Deform 2D 84
4.2.1 Обоснование возможности использования модельных материалов для изучения формоизменения биметаллических электродов 85
4.2.2 Исследование влияния различных факторов деформирования на формоизменение оболочки биметаллических прутков 87
4.3. Алгоритм проектирования биметаллических электродов с заданной величиной теплопроводности 100
4.4. Выводы по главе 102
ГЛАВА 5. Экспериментальное исследование формоизменения оболочки биметаллического прутка при холодном прямом выдавливании 105
5.1. Формоизменение оболочки прутка, полученного из заготовки с поперечной слоистостью 106
5.2. Формоизменение оболочки прутка, полученного из заготовки с продольно-поперечной слоистостью 109
5.3. Выводы по главе 111
ГЛАВА 6. Проектирование и промышленное внедрение технологии холодной объёмной штамповки медно-никелевых электродов свечей зажигания ДВС 112
6.1. Технология изготовления биметаллических электродов свечей зажигания ДВС 115
6.2. Специализированное оборудование для производства биметаллических электродов 118
6.3. Испытания свечей зажигания с электродами, изготовленными по разработанной технологии 120
6.4. Выводы по главе 121
Выводы по работе 122
Список литературы 124
- Медно-никелевый электрод свечи зажигания ДВС - биметаллический пруток с боковой и торцевой оболочкой
- Методика экспериментального исследования процесса холодного прямого выдавливания биметаллических прутков
- Формоизменение оболочки прутка, полученного из заготовки с поперечной слоистостью
- Формоизменение оболочки прутка, полученного из заготовки с продольно-поперечной слоистостью
Введение к работе
Актуальность работы. Рост производства биметаллов и постоянное повышение требований к их качеству ставят перед разработчиками этих материалов задачу получения биметаллической (БМ) продукции с регламентируемыми геометрическими параметрами, обеспечивающими необходимый уровень и высокую стабильность физико-механических, теплофизических и других свойств биметаллов.
Биметаллы выпускаются в различном ассортименте (листы, лента, трубы, проволока и прутки) и используются во многих отраслях промышленности. Широкое применение они нашли в автомобилестроении виде БМ прутков, используемых в качестве БМ электродов для свечей зажигания ДВС.
БМ электрод представляет собой короткий БМ пруток, состоящий из высокотеплопроводного медного сердечника и жаростойкой никелевой оболочки, закрывающей боковую и торцевую поверхность сердечника. Такой электрод улучшает основной служебный показатель свечи зажигания - её тепловую характеристику, определяющую нормальную работу свечи.
Кроме указанного достоинства БМ электрод, как композиционное изделие, может иметь различную теплопроводность в зависимости от изменения размеров оболочки электрода. Это свойство БМ электрода может быть использовано для получения требуемых тепловых характеристик свечей зажигания. При этом размеры теплового конуса изолятора могут оставаться неизменными, что повышает уровень технологичности конструкции свечи за счёт унификации её деталей (изоляторов). Для практической реализации этой задачи необходимо знание закономерностей изменения теплопроводности БМ электрода в зависимости от изменения формы и размеров его оболочки.
Для изготовления БМ прутков наибольшее распространение получил способ совместной пластической деформации разных металлов (СПДРМ), осуществляемый горячим прессованием либо гидропрессованием заготовок с продольной слоистостью. Основные научно-технические аспекты этих процессов изучены достаточно хорошо. Однако ряд теоретических и практических вопросов прямого выдавливания биметаллов остаётся до сих пор не решённым. В частности, практически не изучен вопрос пластического формоизменения БМ прутков, полученных холодным прямым выдавливанием из БМ заготовок с поперечной и продольно-поперечной слоистостью.
Таким образом, изучение вопроса пластического формоизменения оболочки круглых БМ прутков в процессе их холодного прямого выдавливания из заготовок с поперечной и продольно-поперечной слоистостью, а также исследование связанного с ним вопроса изменения теплопроводности таких прутков в зависимости от изменения формы и размеров их оболочки являются актуальными научно-техническими задачами.
Цель работы - получение холодной объёмной штамповкой центральных биметаллических электродов свечей зажигания ДВС с заданной теплопроводностью, обеспечивающих улучшение технических характеристик свечей зажигания и повышение уровня технологичности конструкции свечей.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
Теоретическое и экспериментальное исследования влияния геометрических параметров оболочки БМ прутка, формирующихся в процессе холодного прямого вьщавливания, на его теплопроводность.
Теоретическое исследование пластического формоизменения оболочки БМ прутков, полученных из заготовок с поперечной и продольно-поперечной слоистостью, в зависимости от различных технологических факторов деформирования и стадий процесса холодного прямого вьщавливания.
Экспериментальное исследование пластического формоизменения оболочки БМ прутков при холодном прямом выдавливании.
Разработка технологического процесса холодной объёмной штамповки медно-никелевых электродов свечей зажигания ДВС с заданной теплопроводностью.
Методы и материалы исследований. В работе были использованы промышленные материалы, из которых изготавливались БМ электроды, а также модельные материалы, которые применялись для физического моделирования процесса холодного прямого вьщавливания БМ прутков. Физико-механические свойства материалов определялись из справочной литературы. Для решения задачи о пластическом формоизменении оболочки БМ прутков при прямом вьщавливания и задачи об определении коэффициента теплопроводности БМ прутков применялись теоретические и экспериментальные методы исследований.
Научная новизна. Признаками научной новизны обладают следующие результаты диссертации:
Аналитическая модель исследования характера пластического формоизменения торцевой и боковой оболочки круглых БМ прутков, полученных холодным прямым выдавливанием из БМ заготовок с поперечной и продольно-поперечной слоистостью, в зависимости от стадий процесса вьщавливания и технологических факторов деформирования.
Условия деформирования, при которых происходит формирование равномерной по длине толщины боковой оболочки БМ прутков, полученных из заготовок с поперечной и продольно-поперечной слоистостью.
Теоретическая модель, учитывающая влияние формы и размеров оболочки БМ электрода, формирующейся в процессе холодного прямого вьщавливания, на его теплопроводность. На основе модели получен вывод о том, что при определённых размерах оболочки БМ электрода его теплопроводность становится величиной постоянной во всём интервале(400...900С) рабочих температур свечи зажигания.
Практическая ценность работы заключается в следующем: 1. Разработан технологический процесс холодной объёмной штамповки центральных медно-никелевых электродов свечей зажигания ДВС с заданной теплопроводностью с учётом его реализации на автоматических роторных линиях (роторная технология);
2. На основе разработанного технологического процесса в ОКТБ «Ротор» (г. Тула) спроектировано, изготовлено и запущено в эксплуатацию специальное оборудование - комплекс автоматических роторных линий с производительностью 200 шт/мин, обеспечивающий массовый выпуск электродов в объёме 8... 10 млн. шт/год.
Достоверность результатов. Справедливость полученных в работе теоретических результатов подтверждена экспериментальными данными. Разработанный на основе полученных теоретических и экспериментальных данных технологический процесс изготовления БМ электродов внедрён в производство и защищен патентами РФ на изобретение, что подтверждается актом о внедрении технологического процесса в производство и актом об использовании изобретения.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 13-ой Международной конференции по физике прочности и пластичности металлов и сплавов (Самара, 1992), на 5-ой конференции «Сверхпластичность неорганических материалов (Уфа, ИПСМ, 1992), на 14-ом Международном конгрессе двигателестроителей (Украина, Крым, 2009), на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Методы повышения технологических возможностей металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ» (Уфа, УГАТУ, 2010). В полном объёме диссертация обсуждалась на научно-методическом семинаре Института физики перспективных материалов (Уфа, ИФПМ, 2010).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 научных трудах, получены 2 патента РФ на изобретение.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 6-й глав, выводов, списка литературы и приложения на 20 листах. Текст диссертации изложен на 132 страницах машинописного текста, включает 47 рисунков и 10 таблиц. Список литературы содержит 99 наименований.
Медно-никелевый электрод свечи зажигания ДВС - биметаллический пруток с боковой и торцевой оболочкой
Производство БМ центральных электродов впервые было освоено за рубежом в начале 60-х годов прошлого столетия. Один из самых ранних патентов США № 2 955 222 [41] датирован октябрём 1960 г.
В России впервые технология изготовления БМ электродов была разработана в начале 90-х годов в Институте проблем сверхпластичности металлов (ИПСМ) РАН (г. Уфа) при участии автора [43]. Технология разрабатывалась в соответствии с Целевой научно-технической программой повышения качества и надёжности свечей зажигания «Свеча», подготовленной Энгельсским заводом автотракторных запальных свечей (ЭЗАЗС) и утверждённой Министерством автомобильной промышленности СССР в октябре 1987г., а также по инициативе Уфимского КБ «Молния», Уфимского агрегатного производственного объединения (УАПО) и Уфимского завода электротехнических изделий (УЗЭТИ). Основная цель программы заключалась в создании новых моделей искровых свечей зажигания, обладающих техническим уровнем, не уступающим уровню лучших мировых образцов. Программа преследовала также цель снижения валютных затрат производственного объединения «АвтоВАЗ» на приобретение высококачественных автомобильных свечей зажигания с биметаллическим центральным электродом за рубежом для укомплектования экспортных вариантов автомобилей «ВАЗ». Разработанная технология была успешно внедрена в ОАО «Опытное конструкторское технологическое бюро «Ротор» (г.Тула) в 1995 году на специально спроектированном и изготовленном в этом же бюро комплексе автоматических роторных линий с производительностью 200 шт/мин.
Вопросы совместного пластического деформирования различных материалов изучаются достаточно давно. В развитие теории и практики совместного пластического деформирования большой вклад внесли многие известные отечественные учёные, которым принадлежит приоритет в этой области знаний. Вопросами деформирования слоистых тел занимались Г.Э. Аркулис [7], М.И. Боярши-нов [19], В.Г. Дорогобид [44], Е.И. Астров [3], И.М. Павлов [45], Л.Н. Могучий [46], С.А. Голованенко и Л.В.Меандров [1], И.Л. Перлин [47], В.К. Король [5], В. А. Маковский и Л.С. Ейльман [13], М.И. Чепурко [10], Ю.А.Матвеев [15], М.С. Гильденгорн [8, 48, 49, 50], Е.П. Унксов и Л.Г. Степанский [51], Л.Е. Смушкевич [52], А.Г. Кобелев [4], А.И. Янчев и В.З. Спусканюк [53], А.А. Давиденко А.А. и Я.Е. Бейгельзимер [54], Ю.П. Трыков, В.Г. Шморгун и Л.М. Гуревич [55] и др.
Ими показано, что совместное пластическое деформирование различных металлов по сравнению с пластическим деформированием монометаллов отличается значительно более высокой неравномерностью послойной деформации, обусловленной ярко выраженной неоднородной структурой исходной заготовки и связанной с этим «...зависимостью формоизменения металлов от исходных количеств и механических свойств отдельных компонентов и от условий деформирования [5]». Несмотря на то, что исследованию этой проблемы посвящено значительное количество работ, ряд вопросов, возникающих при совершенствовании существующих и разработке новых технологий изготовления БМ изделий, остаются еще недостаточно изученными. Причина такого положения заключается в том, что совместное пластическое деформирование, как горячее, так и холодное, является значительно более сложным; процессом; чем пластическое деформирование монометаллов, что делает весьма, затруднительным- учёт влияния различных факторов деформирования? на процесс совместной деформации:
Холодное выдавливание металлов? и сплавов представляет собой? процесс, который осуществляется; при дорекристаллизационных температурах (часто прш комнатных температурах). Его применяют обычно в тех случаях когда необходимо получить изделие высокого качества;, отличающееся повышенной точностью геометрических размеров чистотой поверхности. Способ часто используется для! обработки цветных металлов и сплавов. (меди, никеля; алюминия, цинка и т.д.) с целью получения готовых изделий, часто не требующих какой-либо дальнейшей обработки.
Холодное прямое выдавливание, как, правило, выполняется через конические матрицы с применением высокоэффективных технологических смазочных материалов, обеспечивающих низкие значения показателей внешнего контактного трения (fz = 0Ц5...0,25 по Зибелю-[56]). Смазочные материалы способствуют локализации очага деформации у матрицы независимо от коэффициента вытяжки1 и угла при вершине конуса матрицы, в связи; с чем, реализуется- ламинарный характер течения металла (первый тип картины, истечения по СИ. Губкину [57]);" обеспечивающий получение качественного изделия. Оптимальным углом при вершине конуса матрицы считается угол 2а = 90;.. 120, при котором наблюдается минимальная неравномерность деформации по длине и поперечному сечению изделия [47].
Ещё одним существенным достоинством операций холодной обработки металлов давлением является возможность их успешной автоматизации, в том числе с применением автоматических роторных линий.
В связис этим холодная объёмная штамповка была положена в основу кон-цепции создания в настоящей работе технологического процесса изготовления БМ электродов свечей зажигания ДВС. Ещё одним важным вопросом при проектировании технологии изготовления биметаллов является вопрос выбора вида и размера исходной заготовки. Данный вопрос решался на основе анализа существующих способов изготовления БМ прутков и на основе выполненных в работе теоретических и экспериментальных исследований.
Методика экспериментального исследования процесса холодного прямого выдавливания биметаллических прутков
Построение конечно-элементной сетки производилось с помощью четырехугольного: элемента, имеющего 4 узла и: 3 степени свободы в каждом? узле. В і процессе деформирования происходила автоматическая перестройка сетки с помощью встроенных программных механизмов;
Математические модели, материалов НП2, Ml и АД1, из которых состояли заготовки, задавались в виде кривых упрочнения» 7 = сг(е); представленных в? справочной литературе [71]. Для инструмента применялась модель абсолютно жёсткого, тела. Считалось, что принятый - для расчётов осреднённый показатель трения :.fz имеет одно и то же значение навсех поверхностях трения. На межслойной границе заготовки принималось, что показатель межслойного трения /мс=1, т.е. относительное скольжение слоев по контактной поверхности отсутствует.
В ходе моделирования оценивались следующие параметры: распределение интенсивности деформаций: в прутке, значения сил деформирования; а также геометрические параметры прутков (толщина Ъ торцевой оболочки прутка, толщина s и длина / боковой оболочки прутка и кривизна К линии раздела слоев в прутке).
Экспериментальные исследования процесса холодного прямого выдавливания БМ заготовок с поперечной и продольно-поперечной слоистостью проводились для изучения влияния технологических факторов деформированияша изменение размеров оболочки БМ прутка (электрода). Для проведения исследований был спроектирован и изготовлен специальный опытный штамп для холодного прямого выдавливания (рис. 2.1.). Штамп состоял из корпуса 3 с установленной в него бандажированными контейнером и матрицей. Контейнер 5 и матрица 8 запрессовывались соответственно в бандажи 6 и 7 с силой 70...90 кН для создания необходимых предварительных сжимающих напряжений в контейнере и матрице с целью повышения их прочности. Для предотвращения раскрытия горизонтального стыка между матрицей и контейнером в процессе выдавливания заготовки они сжимались осевой силой величиной 50...60 КН и затем стягивались гайкой 9. Такая конструкция матрицы обеспечивала ей высокую стойкость. Рабочий ход пуансона 2 регулировался гайкой 1, положение которой фиксировалось винтом 4. Извлечение поковки из штампа производилось с помощью выталкивателя 10. Для исследований применялись два вида матриц: коническая и плоско-коническая (рис. 2.1. б и рис. 2.1. в). Опытный штамп устанавливался на разрывной машине 2167-Р50, развивающей максимальное усилие 50 кН. Размеры оболочки b, I (или К) и s электродов определяли на шлифах продольных сечений электродов с помощью инструментального микроскопа ИМЦ 150х150Б, микроскопа МПБ-3, микроскопа NEOFOT-32 и с помощью микрометра МК-102 и штангенциркуля ШЦ-150. Методика определения коэффициента теплопроводности биметаллического электрода Для определения коэффициента теплопроводности медно-никелевого электрода применялась следующая методика. При комнатной температуре с помощью метода вольтметра-амперметра измерялись полные электрические сопротивления Яэл исследуемых электродов [83].. Для измерения напряжения применялся прибор комбинированный цифровой Щ-300 с пределом допустимой погрешности ±[0,1±0,05(VK/Vx - 1)]. Схема измерения приведена на рис. 2.2. Затем по приведённой ниже формуле рассчитывались удельные электрические сопротивления электродов: где F — площадь поперечного сечения электрода; L - длина электрода. Применение данного метода определения теплопроводности вызвано тем, что существующие способы измерения теплопроводности [84] являются более сложными и менее надёжными и точными, чем способ измерения электрического сопротивления. Особенно это касается случаев, когда размеры испытуемых образцов сравнительно малы (например, длина биметаллического электрода составляет всего 15...30 мм, а диаметр 2,5...3,0 мм), в связи с чем, непосредственное измерение теплопроводности стандартными способами весьма затруднительно. Применение рассмотренного метода определения теплопроводности обосновано также рядом исследователей [85, 86].
Для повышения сходимости результатов экспериментальных и теоретических исследований по этой же методике определяли коэффициенты теплопроводности применяемых для изготовления электродов материалов Ml и НП2 (значения найденных коэффициентов теплопроводности приведены в таблице 2.4). Образцы для испытаний изготавливались из проволок диаметром 5,0 мм, длина образцов составляла 55 мм.
Планирование эксперимента заключалось в определении минимального количества испытаний п, которые должны обеспечить вычисление выборочного среднего (математического ожидания) X измеряемой величины с заданным максимально допустимым отклонением АЛ: при определённой вероятности а. Для этого сначала были проведены предварительные эксперименты с небольшим объёмом выборки т (т 20), чтобы оценить степень разброса результатов эксперимента. При обработке результатов предварительных экспериментов использовались упрощённые формулы для определения величины выборочного среднеквадратичного отклонения и границ доверительного интервала.
Формоизменение оболочки прутка, полученного из заготовки с поперечной слоистостью
Теоретическое исследование выполнялось с целью определения закономерностей пластического формоизменения оболочки биметаллических прутков при холодном прямом выдавливании в зависимости от технологических факторов деформирования и стадий процесса прямого выдавливания. Знание таких закономерностей необходимо для осуществления научно-обоснованного подхода к разработке технологии изготовления медно-никелевых электродов с заданными проектными размерами, обеспечивающими необходимую величину теплопроводности электродов.
В работе были использованы два теоретических метода исследования: аналитический и численный.
Аналитический метод, используя большее число допущений, даёт приближённое решение задачи. Однако такое решение позволяет выявить основные закономерности исследуемого процесса, рассмотреть семейство решений и, таким образом, провести более качественный анализ процесса.
Численный метод, используя меньшее число допущений и опираясь на современные вычислительные средства, позволяет решить задачу с более высокой точностью. Но в то же время, численное решение всегда является частным решением, которое не позволяет установить общий характер изучаемого процесса.
В связи с этим в работе был выбран комплексный подход к решению задачи, сочетающий в себе использование обоих методов, взаимно дополняющих друг друга.
Пластическое формоизменение оболочки биметаллических прутков оценивалось тремя параметрами: изменением толщины Ъ торцевой оболочки прутка, изменением длины / боковой оболочки прутка на участке прутка с переменной толщиной стенки (или изменением кривизны К параболической линии раздела слоев в продольном сечении прутка) и изменением толщины s боковой оболочки прутка на участке прутка с постоянной толщиной стенки (рис. З.1.). Изменение этих параметров рассматривалось на различных стадиях процесса прямого выдавливания (начальной и основной) и в зависимости от изменения следующих технологических факторов деформирования: высоты h нижнего слоя заготовки, вытяжки ft, угла 2а при вершине конуса матрицы и величины внешнего контактного трения (показателя трения по Зибелю ).
Известно [5, 8, 47 и др.], что из перечисленных факторов деформирования наибольшее влияние на формирование проектных размеров готового изделия оказывают размеры исходной заготовки. Поэтому в качестве значимых (наиболее действенных) факторов в работе были приняты высота h нижнего слоя исходной заготовки и коэффициент вытяжки //, являющийся производным параметром от диаметра D исходной заготовки (ju =D /d ).
Исследование выполнено применительно к благоприятным условиям холодного прямого выдавливания, соответствующим первому типу картины течения металла по СИ. Губкину [57]. Этот тип истечения характеризуется небольшим внешним контактным трением, сосредоточением очага деформации вблизи матрицы И ламинарным характером течения. Для слоистых тел следует добавить к этому наличие развитых межслойных связей, исключающих относительное смещение слоев в процессе деформации и обеспечивающих, таким образом, показатель межслойного трения /мс — 1
Принятые условия являются вполне обоснованными, поскольку в основе экспериментальной части настоящей работы, а также в основе разработанного технологического процесса изготовления биметаллических электродов свечей зажигания ДВС лежит холодное прямое выдавливание с использованием конических матриц и эффективной смазки, которые обеспечивают получение вышеназванных благоприятных деформационных условий [47]. Кроме того, выше было показано, что осуществление устойчивого совместного истечения, гарантирующего получение качественного биметаллического изделия без разрушения его слоев, возможно только в условиях малого внешнего и большого межслойного трения.
Аналитическое исследование выполнено для условий деформирования, при которых линия раздела слоев в продольном сечении БМ прутка описывается ка-ионическим уравнением параболы у = 2рх . При исследовании было использовано абстрактное положение о равномерной (однородной) деформации [57, 91] и принцип совмещения кривых, характеризующих идеальное и реальное поведение обрабатываемых материалов [7]. Эти положения позволили составить правильное представление о процессе пластического формоизменения БМ прутков при холодном прямом выдавливании и установить качественные и количественные закономерности процесса.
Аналитический метод позволил найти функциональные зависимости Ъ = b(li) и / = 1(h), отражающие закономерности пластического формоизменения оболочки БМ прутка в зависимости от фактора h (при фиксированных значениях ц, 2а и fz). Последующий численный метод позволил определить особенности формоизменения оболочки прутка при действии технологических факторов деформирования h, ц, 2а и fz- Основные результаты аналитического и численного исследований изложены в работах автора [92, 93].
Известно, что при равномерной (однородной) деформации прямые линии и плоскости остаются прямыми линиями и плоскостями во время деформации и после неё [57, 91]. При этом конечные продольные размеры 1{ прутка и соответствующие им начальные продольные размеры h, заготовки связаны между собой линейной зависимостью:
В дальнейшем БМ пруток, полученный в идеальных условиях, будем называть идеализированным (абстрактным) прутком, а пруток, полученный в реальных условиях — реальным или просто прутком.
На рис. 4.1. а показана исходная БМ заготовка с поперечной слоистостью, имеющая диаметр D, высоту Н и толщину h нижнего слоя, и полученные из неё методом прямого выдавливания с одним и тем же коэффициентом вытяжки // прутки: идеализированный (рис. 4.1. б) и реальный, у которого, в зависимости от условий деформирования, боковая оболочка может сформироваться либо полностью неравномерной (рис. 4.1. в), либо с равномерным участком (рис. 4.1. г) [47]. С целью упрощения последующего анализа будем условно полагать, что процесс выдавливания обеих заготовок происходит без образования пресс-остатка, т.е. весь материал заготовок полностью истекает из матрицы, в результате чего, оба прутка принимают форму цилиндрического стержня диаметром d и длиной L.
Формоизменение оболочки прутка, полученного из заготовки с продольно-поперечной слоистостью
Проектирование технологии изготовления медно-никелевых электродов свечей зажигания ДВС осуществлялось на основе результатов исследований, полученных в настоящей диссертационной работе, и на основе технического задания, разработанного Уфимским агрегатным конструкторским бюро «Молния» при участии Уфимского агрегатного производственного объединения, а также в соответствии с Целевой научно-технической программой повышения качества и надёжности, свечей зажигания «Свеча». Вопросы проектирования операции холодного прямого выдавливания БМ электродов с учётом её реализации на АРЛ приведены в работах [94, 95].
Согласно требованиям технического задания сердечник электрода должен был выполняться из меди марки Ml, а оболочка - из жаростойкого сплава на никелевой основе. После анализа физико-механических свойств никелевых сплавов, предложенных техническим заданием, был выбран никель полуфабрикатами марки НП2, сочетающий в себе высокие эксплуатационные и технологические свойства. Химический состав указанных материалов приведён во второй главе.
Одними из основных требований, предъявляемых к технологическому процессу, являлись относительно высокая точность обработки (IT9-IT10) и высокая чистота обрабатываемых поверхностей электрода (Ra0,63 - Ral,25), а также пригодность технологического процесса к автоматизации с применением автоматических роторных линиях производительностью не менее 60 шт/мин с целью организации массового выпуска продукции.
Всем этим требованиям наиболее полно отвечает холодная объёмная штамповка, обеспечивающая высокую точность и чистоту обработки изделий. Кроме этого, холодная объёмная штамповка наилучшим образом отвечает специфике роторных технологий [96, 97], как по характеру и набору формообразующих операций, так и по возможности получения промежуточных заготовок, геометрическая форма и относительные размеры которых обеспечивают надёжное закрепление заготовок в захватах транспортного ротора.
Ещё одним требованием технического задания являлось обеспечение качественного соединения оболочки и сердечника электрода с целью снижения термического сопротивления на границе контакта слоев электрода и получения, таким образом, стабильного уровня тепловых характеристик свечей зажигания. При разработке технологии данная задача была решена путём введения операции диффузионной сварки слоев электрода на заключительном этапе его изготовления. Проведённые затем испытания свечей зажигания с такими электродами на соответствие их верхнему пределу тепловой характеристики показали, что свечи обладают высоким уровнем стабильности калильных чисел и высокой износостойкостью электродов.
Выполненные в настоящей диссертационной работе исследования показали, что изменение размеров оболочки БМ электрода оказывает весьма существенное влияние на изменение теплопроводности электрода и, как следствие этого, на изменение тепловой характеристики свечи зажигания. В связи с этим технология изготовления электродов должна обеспечивать получение не только требуемых геометрических параметров электродов, но и высокую стабильность этих параметров во времени (в течение производства конкретного типоразмера электрода). Найденные в работе закономерности пластического формоизменения оболочки электрода позволили успешно решить данную задачу.
В частности, оказалось, что для получения стабильных проектных размеров Ъ, I (или К) и s оболочки БМ электродов необходимо обеспечить получение высокоточных по длине исходных заготовок из никеля и дальнейшее получение из них промежуточных заготовок в виде стаканов с высокой точностью толщины дна.
Для этого был разработан специальный автомат рубки никелевой проволоки, а также инструментальные блоки рабочих роторов линии, в которых выполняются операции изготовления двух промежуточных никелевых заготовок - конического и цилиндрического стаканов. Инструментальные блоки обеспечивают получение стаканов с отклонением толщины дна, не превышающим 0,05 мм.
Технология разработана для изготовления различных типоразмеров БМ электродов, отличающихся габаритными размерами и формой головной части. Технология позволяет в пределах каждого типоразмера электрода, имеющего одинаковые габаритные размеры, получать различные форму и размеры оболочки электрода, что обеспечивает получение электродов с требуемыми теплофизи-ческими свойствами. Различные типоразмеры электродов предназначены для установки их в свечи зажигания с различными тепловыми характеристиками (калильными числами). Ряд таких свечей зажигания показан на рис. 6.1.
Изготавливаемые на линии биметаллические электроды различных типоразмеров поставляются на ОАО «Завод автотракторных запальных свечей» (ОАО ЗАЗС, г. Энгельс) и Уфимский завод электротехнических изделий (УЗЭТИ, г. Уфа) для сборки автомобильных искровых свечей зажигания. Свечи поставляются на конвейер ОАО «АвтоВАЗ» и на внутренний рынок.
Разработанный технологический процесс защищен патентами РФ [98,99]. Акт о внедрении технологического процесса изготовления электродов с расчётом экономической эффективности представлен в Приложении 1, акт об использовании патента в технологии изготовления электродов - в Приложении 2.
