Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния исследовании в области контактного взаимодействия заготовки с инструментом в процессах холодной обработки металлов давлением
1.1 Анализ теорий трения при контактном взаимодействии твердых те .
1.2 Особенности контактного взаимодействия заготовки с инструментом в процессах холодной обработки металлов давлением..
1.3 Анализ методов и устройств, применяемых для исследования контактного трения при холодном пластическом деформировании
1.3.1 Методы и устройства для исследования контактного трения при холодном объёмном пластическом деформировании..
1.3.2 Методы оценки сил трения и смазочного действия при листовой штамповке
1.4 Современные технологические смазочные материалы и технологии подготовки поверхности для холодного деформирования сталей и сплавов, и 18 33
1.5 Исследования противозадирных свойств модифицированных
поверхностных слоев
1.6 Выводы по главе
ГЛАВА 2. Разработка комплекса методов для физического моделирования контактного взаимодействия заготовки с инструментом в процессах холодного деформирования металлов
2.1 Испытательный стенд для исследования сил пластического трения в процессах холодного объёмного деформирования металлов
2.1.1 Методика исследований эффективности смазочных материалов в 54 61 з 67 70 процессе прямого выдавливания
2.1.2 Исследование контактного взаимодействия в процессе волочения...
2.1.3 Методика определения эффективности смазок в процессе редуцирования
2.1.4 Экспериментальная методика определения силы деформирования, силы трения и нормальной силы
2.2 Лабораторный стенд и способ оценки эффективности смазочных материалов в процессе формообразования внутренней резьбы 96
2.3 Определение коэффициента трения и экранирующей способности смазочных сред при осадке кольцевых образцов 86
2.4 Лабораторный стенд для исследования сил деформирования,
2.4.1 Модернизация машины ИА5073-100 для исследования эффективности смазочных материалов напряжений и коэффициентов трения при листовой штамповке.
2.4.2 Экспериментальная методика определения сил деформирования, напряжений и коэффициентов трения при листовой штамповке
2.5 Оценка противозадирных свойств смазочных материалов с использованием четырехшариковой машины трения ЧМТ-1
2.6 Методика определения температурной стойкости смазочных материалов
2.7 Выводы по главе 2
ГЛАВА 3. Определение параметров трения при и совмещении результатов физического математического моделирования процессов холодного деформирования металлов 103
3.1 Оценка влияния силы трения на энергосиловые параметры процессов холодного деформирования металлов с помощью программного комплекса
3.2 Экспериментально - аналитический метод определения коэффициента трения в процессе выдавливания
3.3 Экспериментально - аналитический метод определения коэффициента трения в процессах листовой штамповки
3.4 Выводы по главе 4
ГЛАВА 4. Экспериментальные зависимости силовых и деформационных параметров процессов холодной обработки металлов давлением от физико - химических свойств смазочных материалов
4.1 Зависимости силовых и деформационных параметров процесса прямого выдавливания от вязкости смазочного материала и скорости
4.2 Зависимости крутящего момента при формообразовании внутренней резьбы в гайках от вязкости смазочного материала и скорости резьбообразования
4.3 Зависимости энергосиловых параметров процесса прямого
выдавливания от способа подготовки поверхности заготовки и применяемого технологического смазочного материала
4.4 Зависимость энергосиловых параметров процесса прямого выдавливания от вида наполнителей в составе смазочного материала
4.5 Исследования контактного взаимодействия заготовки с инструментом в процессе волочения через роликовую волоку с применением смазочных
4.6 Зависимость силы редуцирования от физико-химических свойств применяемых смазочных материалов
4.7 Исследования задиростойкости поверхности заготовок и инструмента при волочении через роликовую волоку
4.8 Результаты исследований контактного взаимодействия заготовки с инструментом с применением смазочных материалов в процессах листовой
4.9 Результаты исследований шероховатости поверхности 163
4.10 Результаты исследований температурной стойкости смазочных материалов на ЧМТ-1 166
4.11 Выводы по главе 3 177
ГЛАВА 5. Разработка технологии подготовки поверхности заготовок из углеродистых сталей под холодную высадку крепежных деталей без кислотного травления и фосфатирования 179
5.1 Зависимость силы волочения от способа подготовки поверхности заготовок из углеродистых сталей 179
5.2 Влияние кинематической вязкости смазочных материалов и относительной степени деформации на силу волочения 182
5.3 Исследование влияния режимов дробеструйной обработки на силовые параметры процесса волочения 187
5.4 Влияние размеров дроби на силовые параметры и шероховатость поверхности заготовок в процессах волочения и выдавливания 189
5.5 Влияние способа подготовки поверхности на степень деформации до разрушения, силу деформирования и коэффициент трения при волочении через роликовую волоку
5.6 Исследование топографии поверхности заготовок с различными способами подготовки поверхности после волочения
5.7 Выводы по главе 5 198
ГЛАВА 6. Промышленная апробация результатов исследовании 201
6.1 Результаты промышленных испытаний разработанных смазочных материалов в процессах холодного объемного деформирования сталей и сплавов 201
6.2 Результаты промышленных испытаний разработанных смазочных материалов в процессах листовой штамповки 206
6.3 Результаты внедрения технологии бесфосфатного волочения сталей 211
6.4 Санитарно-эпидемиологические исследования разработанных смазочных материалов
6.5 Выводы по главе 6
Основные результаты и выводы
Список литературы
- Анализ методов и устройств, применяемых для исследования контактного трения при холодном пластическом деформировании
- Методика исследований эффективности смазочных материалов в 54 61 з 67 70 процессе прямого выдавливания
- Экспериментально - аналитический метод определения коэффициента трения в процессе выдавливания
- Влияние способа подготовки поверхности на степень деформации до разрушения, силу деформирования и коэффициент трения при волочении через роликовую волоку
Введение к работе
Актуальность работы
Взаимодействие поверхностей инструмента и заготовки при холодной
пластической деформации металлов характеризуется высокими
контактными давлениями. Контактное трение при таких условиях оказывает
определяющее влияние на характер деформации, напряженно-
деформированное состояние обрабатываемого материала, необходимые силы
деформирования, качество получаемых изделий и срок службы
инструментальной оснастки.
Большой вклад в развитие науки о трении при обработке металлов
давлением (пластическом трении) внесли ученые: Леванов А.Н., Грудев
А.П., Тилик В.Т., Зильберг Ю.В., Горенштейн М.М. и другие. Огромный
вклад в изучение проблем трения и изнашивания трибосопряжений в узлах
деталей машин внесли отечественные ученые Крагельский И.В., Гаркунов
Д.Н., Буше Н.А., Семенов А.П., Дроздов Ю.Н., Захаров С.М., Михин Н.М.,
Матвеевский Р.М., Хрущов М.М., Сорокин Г.М., Чичинадзе А.В.,
Буяновский И.А. и другие. Значительная роль в развитии науки о трении для процессов металлообработки с применением смазочных материалов принадлежит Белосевичу В.К., Исаченкову Е.И., Колмогорову Г.Л., Казаченку В.И., Латышеву В.Н., Шолому В.Ю., Шустеру Л.Ш. и другим. Несмотря на большое количество работ в литературе отсутствует общепринятая концепция пластического трения, используются различные законы трения, иногда совпадающие, а иногда, совершенно отличные от законов трения в узлах деталей машин.
Физико-химические свойства конкретного смазочного материала при
различных схемах деформирования по-разному влияют на ресурс работы
инструмента, качество поверхности заготовки, энергосиловые параметры
деформирования и т.п. Контактные давления, скорость деформации и
температура даже при неизменном режиме обработки изменяются по
поверхности очага деформации в широком диапазоне. Вследствие чего в
различных зонах очага пластической деформации протекают процессы с
разными режимами смазки (граничной, гидродинамической и др.),
реализуются механизмы адсорбционного и хемосорбционного
взаимодействий и протекают трибохимические реакции. Для таких сложных условий контактного взаимодействия смазочные материалы должны представлять собой сложные многокомпонентные композиции, ингредиенты которых одновременно или поочередно взаимодействуют с различными участками контактных поверхностей заготовки и инструмента, на которых реализуются меняющиеся в процессе деформирования режимы и механизмы трения.
К сожалению, на сегодняшний день, используя стандартные и известные методы испытаний, определить триботехнические свойства и выбрать технологический смазочный материал (ТСМ) для всего многообразия процессов холодного деформирования металлов представляет собой очень
сложную задачу. Следовательно, выбор смазочных материалов для
конкретного технологического процесса необходимо проводить с
использованием схем деформирования, которые моделируют условия трения в этом технологическом процессе. Поэтому разработка новых методов оценки контактного взаимодействия заготовки с инструментом в процессах холодного деформирования металлов для научно-обоснованного выбора смазочных материалов является актуальной научно-технической задачей.
Диссертация выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный
авиационный технический университет» (УГАТУ) и Хозрасчетном
творческом центре Уфимского авиационного института (ХТЦ УАИ) и связана с проведением исследований в рамках Государственной научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» 2009-2013гг. Часть исследований по разработке новых методов испытаний и созданию смазочных материалов проводилась по заказам и договорам с промышленными предприятиями, такими как ОАО «Белебеевский завод Автонормаль», ОАО «АВТОВАЗ», ОАО «КАМАЗ», ОАО «УАЗ», ОАО «ММК МЕТИЗ» и др.
Цель работы: повышение эффективности процессов холодной обработки
металлов давлением с помощью научно-обоснованного выбора
технологических смазочных материалов с использованием комплекса методов физического и математического моделирования параметров трения между заготовкой и инструментом.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие
основные задачи:
1. Выполнить анализ существующих методов исследования контактного
взаимодействия заготовки c инструментом в процессах холодного
деформирования металлов и сплавов.
2. Разработать комплекс методов физического моделирования контактного
взаимодействия заготовки c инструментом в процессах холодной обработки
металлов давлением.
3. Установить зависимость силовых и деформационных параметров
процессов холодной обработки металлов давлением от триботехнических и
физико-химических свойств смазочных материалов.
-
Определить в лабораторных и промышленных условиях эффективность различных способов подготовки поверхности заготовок из углеродистых сталей на энергосиловые параметры процессов волочения и прямого выдавливания.
-
Разработать новую технологию подготовки поверхности заготовок из углеродистых сталей, которая позволит деформировать заготовки на операции волочения без травления и нанесения фосфатного покрытия.
6. Разработать новые композиции технологических смазочных материалов и
провести их опытно - промышленные испытания в процессах холодного
деформирования сталей и сплавов.
Методы исследований
При исследованиях использовались методы определения силовых и деформационных параметров трения при пластическом деформировании металлов, разработанные автором, методы тензометрии с элементами сбора и обработки информации с помощью компьютерных программ, метод математического планирования эксперимента, методы математического и физического моделирования, современные стандартизованные методы оценки физико-химических и трибологических свойств смазочных материалов.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
- комплекс методов исследования контактного взаимодействия заготовки с
инструментом в процессах холодного деформирования металлов для оценки
антифрикционных и противозадирных свойств смазочных материалов;
- экспериментальные зависимости силы деформирования и трения от
триботехнических свойств смазочных материалов в процессах прямого
выдавливания, волочения и листовой штамповки;
технология подготовки поверхности заготовок на примере стали 20Г2Р, сочетающая дробеструйную обработку поверхности заготовок с применением специально разработанного технологического смазочного материала, которая позволяет осуществлять операции волочения и прямого выдавливания без операций травления и фосфатирования;
новые композиции смазочных материалов, обеспечивающие повышение эффективности процессов холодной обработки металлов давлением.
Научная новизна работы:
1. Получил развитие комплекс методов и испытательных лабораторных
стендов для оценки контактного взаимодействия заготовки с инструментом
при физическом моделировании процессов холодной обработки металлов
давлением, позволяющий выбрать смазочный материал и способ подготовки
поверхности металла в зависимости от схемы и режимов деформирования.
2. Обосновано применение разработанной экспериментально-расчетной
методики и устройства для ее реализации при определении величины силы
трения в общей силе деформирования, которые обеспечивают новые
возможности по выявлению резерва для снижения энергосиловых
параметров деформирования за счет потерь на трение между заготовкой и
инструментом.
3. Предложен показатель задиростойкости при контактном взаимодействии
пластически деформируемой заготовки с упруго деформируемом
инструментом, позволяющий обосновать выбор эффективного смазочного
материала и способа подготовки поверхности в зависимости от степени
деформации и величины напряжения трения.
4. Определены условия образования дефектов на поверхности заготовок в
виде рисок и задиров при деформировании образцов из стали 20Г2Р с
применением различных смазочных материалов: для индустриального масла
без присадок образование дефектов поверхности заготовок происходит при
среднем по очагу деформации контактном давлении 50 МПа; с добавлением
в индустриальное масло поверхностно-активной присадки - 300 МПа; химически активной присадки - 400 МПа; полимерного наполнителя - 900 МПа, при скорости деформирования -1,710-4 м/с и температуре испытаний
200С.
5. Выявлены отличия в зависимостях коэффициента трения от пути трения
для смазочных материалов с различными физико-химическими свойствами:
для жидких смазочных материалов – одностадийная, для консистентных
смазочных материалов – двухстадийная, для смазочных материалов с
наполнителем – трехстадийная, при изменении нормального давления
прижима в диапазоне от 28 МПа до 60 МПа и скорости деформирования в
диапазоне от 6 до 16 10 м/с.
6. Обоснована технология подготовки поверхности заготовок из
углеродистых сталей, обработанных дробью в сочетании с новыми
смазочными материалами, которая позволяет выполнять операции волочения
и прямого выдавливания без предварительного травления и нанесения
фосфатного покрытия.
Достоверность и обоснованность полученных результатов
подтверждается:
- применением современного аттестованного экспериментального
оборудования;
- применением при математическом моделировании апробированного
численного метода анализа - метода конечных элементов;
- применением аттестованного лабораторного оборудования для оценки
триботехнических, функциональных и физико-химических свойств ТСМ;
- совпадением экспериментальных исследований с результатами
промышленных испытаний.
При проведении исследований использовались стандартизованные, а также, принятые в научной практике методы статистической обработки экспериментальных данных и планирования экспериментов.
Подтверждением правильности полученных результатов является их практическая реализация в условиях промышленного производства.
Новизна технических решений подтверждается патентами РФ.
Практическая реализация результатов работ:
- Разработан и внедрен комплекс лабораторных испытательных стендов,
позволяющий физически моделировать контактное взаимодействие
заготовки с инструментом в процессах холодного деформирования металлов, выбирать эффективный смазочный материал и повысить эффективность процессов деформирования за счет снижения потерь на трение.
- Технологические линии подготовки поверхности заготовок под волочение
и калибрование внедрены на ОАО «Красная Этна» (г. Нижний Новгород) и
ОАО «Белебеевский завод «Автонормаль» (БелЗАН) (г. Белебей).
- Новые смазочные материалы освоены в серийном производстве на ЗАО
«Опытный завод смазок и оборудования» (ЗАО «ОЗСО», г. Уфа) и
выпускаются в объеме 1 тыс. тонн в год. Они внедрены и используются в
промышленном производстве на машиностроительных предприятиях,
крупнейших металлургических комбинатах, трубных заводах России и стран СНГ.
Предложенная методология исследований контактного взаимодействия заготовки с инструментом используется при проведении научно-исследовательских работ в лабораториях НИИ «Триботехники и смазки» ФГБОУ ВПО УГАТУ и ХТЦ УАИ, атак же в учебном процессе УГАТУ на кафедре «Нанотехнологий» при преподавании дисциплин «Трибология в процессах ОМД» и «Основы трибологии».
Апробация работы
Основные результаты диссертации прошли апробацию в виде
выступлений автора с научными докладами на научно-технических
конференциях и совещаниях: Девятая зимняя школа по механике сплошных
сред (г. Пермь, 1991 г.), V международная конференция «Сверхпластичность
неорганических материалов» (г. Уфа, 1992 г.); научно-практическая
конференция «Триботех-2003» (г. Москва, 2003 г.); научно-техническая конференция «Современные смазочные материалы и моющие средства в промышленности и на транспорте» (г. Москва, 2003 г.); международная научно-техническая конференция «Новые ресурсосберегающие технологии и материалы», (г. Челябинск 1995 г.); II международная научно-практическая конференция «Смазочные материалы в промышленности» (г. Пермь, 2001 г.); научно-техническия конференция с участием иностранных специалистов «Трибология - машиностроению» (г. Москва, 2010 г., 2012 г., 2014 г.).
В полном объеме диссертация обсуждалась на расширенных заседаниях
кафедр «Технологий обработки материалов» ФГБОУ ВПО «Магнитогорский
государственный технический университет им. Г.И. Носова и
«Нанотехнологий» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный
авиационный технический университет», на семинаре в ИМАШ РАН (г. Москва) и научно-технических советах НИИ «Триботехники и смазки» ФГБОУ ВПО «УГАТУ» и ХТЦ УАИ.
Личный вклад автора состоит в непосредственном участии при
организации, постановке и проведении всех экспериментальных и
теоретических исследований, анализе результатов исследований, обобщении и обосновании всех защищаемых положений, а также во внедрении результатов исследований в производство.
Структура и объем диссертации
Анализ методов и устройств, применяемых для исследования контактного трения при холодном пластическом деформировании
Историю развития теоретических представлений о внешнем трении в XX веке можно достаточно четко поделить на два этапа. Первый охватывает период, начиная с работы Томлинсона (1929) и до рубежа 1980-х гг. (момента появления зондовой микроскопии поверхностей). Второй этап, примерно с середины 1980-х, характеризуется возросшим интересом физиков, материаловедов и трибологов к поиску корреляций между характеристиками межатомного взаимодействия, триботехническими и прочностными свойствами материалов на нано -, микро - и макроскопическом структурных уровнях [3,4]. Практически все предложенные модели трения упираются в противоречивый характер получаемых теоретических знаний и недостаточность экспериментальных результатов. Это связано с исключительной сложностью описываемого процесса [5,6]. Несмотря на то, что универсальной теории внешнего трения, используемой в инженерных расчетах и решения широкого круга практических задач, так и не создано, можно утверждать, что наметился определенный прогресс в ее развитии. Новые экспериментальные методы исследования материалов, такие как сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия [7], позволили смоделировать трибологические процессы при граничном и сухом трениях на атомном уровне и с высоким временным разрешением [8-10].
Автором работы [11] в 1919г. было показано, что при трении чистых поверхностей стекла имеет место эффект точечного сваривания, сопровождающегося наличием вырывов участков поверхности, что свидетельствовало о достаточно сильном межмолекулярном взаимодействии контактирующих поверхностей. Стремление понять роль и механизм этих взаимодействий при трении привело к появлению адгезионных (молекулярных) теорий, рассматривающих контакт единичной микронеровности с плоской поверхностью или другими неровностями [4,12-14]. Все разработанные модели предполагали шаровую форму единичной микронеровности, использованной при описании контакта теории Герца и степенной характер взаимодействия между поверхностями. Томлинсон [4] предполагал, что между контактирующими поверхностями существуют как силы притяжения, так и отталкивание, возникающее, когда тела сближаются на расстояния порядка размеров атома. Недостатком модели [4] явилась зависимость f N -1/3, не соответствующая закону Амонтона [5]. Другой вариант подобной модели предложил Дерягин, который показал [12], что наличие между телами сил притяжения должно приводить к двухчленному закону трения (1.2) и обосновал такую зависимость. Боуден и Тейбор [15-17] предположили, что коэффициент трения представляет собой отношение сопротивления срезу мостиков холодной сварки между металлами к твердости более мягкого материала.
Адгезионные модели того времени учитывали структуру контактирующих материалов и ее изменения в условиях контакта лишь косвенно, через поведение таких характеристик, как твердость или предел текучести материала. В более поздних работах Боуден и Тейбор перешли к концепции адгезионно-деформационной (АД) природы трения [16, 17]. Практически одновременно с Крагельским [18,19] было выдвинуто положение о возможности существования между телами упругого контакта на уровне микронеровностей. Согласно их взглядам, трение имеет двойственную природу и определяется процессом преодоления адгезионных связей, возникающих на площадках фактического контакта, и объемным деформированием тонкого приповерхностного слоя внедрившимися в него неровностями. Сила трения суммируется по реальным микроскопическим площадкам контакта и зависит от: прочности адгезионной связи и/или механических свойств (упругих модулей, твердости и др.); микрогеометрии контакта; внешних условий (температуры, скорости скольжения и проч.). Причем влияние температуры может проявляться через термическое поведение механических свойств. Соответствующие такой «молекулярно-механической» модели теории трения были предложены Журавлевым [13] и Щедровым [14]. Учет деформационного взаимодействия между неровностями в этих работах проводится, не выходя за рамки теории упругости, и приводит, в отличие от модели Томлинсона, к закону Амонтона [13] или двучленному [14].
С пониманием важности деформационной составляющей трения, как таковой, возникло понимание необходимости учета в ней эффектов пластической деформации (ПД) [5, 16, 17, 20]. Крагельский [18, 20], Боуден и Тейбор [15, 16] предположили, что имеются два вклада в трение скольжения — адгезионный и пластический, связанный с «пропахиванием» поверхности контртела ползуном. При этом в работе [21] показано, что пластическая деформация наблюдается даже при контакте металлических поверхностей в условиях «чистого» вакуума, где, казалось бы, должно превалировать чисто адгезионное взаимодействие. В работе [22] на основе рассмотрения упругопластического характера контакта была получена расчетная формула коэффициента трения. В работах [23, 24] описание деформации материалов основано на представлении о полиноме сжатия, что дало г тр = j TV , (1.3) где х = 1 для чисто упругого контакта; х = 0- для пластического. В рамках АД теории с использованием теорий упругости и пластичности Крагельским и Михиным был проведен учет влияния на коэффициент трения закона распределения неровностей по высоте (т. е. шероховатости). Они получили трехчленную зависимость [25], из которой следует, что в условиях упругого контакта трение обусловлено как силами молекулярного взаимодействия, так и гистерезисными потерями при деформировании тонкого поверхностного слоя внедряющимися в него неровностями. При увеличении сближения контактирующих поверхностей все неровности войдут в контакт, и наступит эффект «насыщения» в том смысле, что распределение неровностей по высоте перестанет играть какую-либо роль.
Методика исследований эффективности смазочных материалов в 54 61 з 67 70 процессе прямого выдавливания
Испытательный стенд для исследования сил пластического трения в процессах холодного объемного деформирования металлов создан на базе разрывной машины ИР-5047-50, с максимальной силой деформирования 50 кН и максимальной скоростью перемещения траверсы 8x10" м/с [153-161].
Для исследования влияния температуры на параметры деформирования заготовок, испытательный стенд оснащен системой нагрева, с помощью которой можно осуществлять нагрев деформируемых образцов или оснастки до 800С.
Кроме стандартной силоизмерительной системы с программным обеспечением ПО-3, машина дополнительно была оснащена двумя силоизмерительными системами для замера нормальной нагрузки на инструмент и силы трения между заготовкой и инструментом, в которых использовались тензорезисторные датчики силы.
Программные обеспечение Dacell Ver 1.8 и ПО-7, осуществляют сбор и обработку данных поступающих с датчиков и регистрируют на компьютере зависимости: «сила деформирования - перемещение траверсы»; «сила деформирования - время (или перемещение траверсы)»; «сила трения - время (или перемещение траверсы)»; «нормальная нагрузка - время (или перемещение траверсы)».
На стенде реализованы физические модели процессов прямого выдавливания, редуцирования, волочения через монолитную и роликовую волоки.
Методика исследований эффективности смазочных материалов в процессе прямого выдавливания Испытания при выдавливании проводили на цилиндрических образцах диаметром 5 мм, длиной 15 мм, из различных металлов и сплавов и с различными подготовками поверхности. Оснастка представляет собой корпус, набор вставок (матриц) с различными степенями обжатия и углом конуса 45, пуансона и выталкивателей (рис. 2.2, в) [159,164]. Инструмент изготовлялся из стали Р6М5. Степень относительной деформации составляла от 0 до 80%. Скорость деформирования 2 - 500 мм/мин. Испытания проводили при комнатной температуре (20 ± 2) С.
По полученной индикаторной диаграмме «сила деформирования -перемещение траверсы» (рис. 2.2, а) определяется напряжение трения в контейнере матрицы м ЛЛ (2.1) где АР1 - СД; L\ контейнера. ход пуансона, соответствующий участку СД; D - диаметр Рисунок 2.2 - Схема испытания смазочных материалов в процессе прямого выдавливания (а)- деформирование; (б)- выталкивание и (в)- вид экспериментальной оснастки для реализации процесса прямого холодного выдавливания: 1 - матрица; 2 - пуансон; 3 - образец; 4 - образец после деформации; 5 - выталкиватель; 6 - корпус Оценку эффективности ТСМ и покрытий выполняли по величине сил деформирования (РД выталкивания (Р2) и напряжению трения т} в контейнере матрицы.
В процессе деформирования, из-за больших контактных давлений, происходит разрыв смазочной пленки. Вследствие чего возникают очаги схватывания поверхности деформируемой заготовки с поверхностью инструмента. Небольшие очаги схватывания не так явно влияют на величину силы деформирования, т.к. основная энергия тратится на деформацию самого металла.
Величина силы трения при выталкивании заготовки характеризует, насколько тот или иной, смазочный материал обеспечил разделение контактирующих поверхностей. Следовательно, величина силы выталкивания деформированной заготовки из полости матрицы косвенно будет характеризовать, с одной стороны, степень экранирующей способности смазочного материала и, с другой стороны, величину адгезионного взаимодействия (прилипание, схватывание) материалов заготовки и инструмента.
Для оценки контактного взаимодействия заготовки с инструментом в процессе волочения, на разрывную машину монтировался специальный инструментальный узел, представляющий собой корпус волокодержателя и волоки из твердого сплава ВК8 с общим углом конуса 160. Степень относительного обжатия составляла от 5 до 35%. Оценку эффективности ТСМ выполняли по величине силы волочения при установившимся процессе (см. рис. 2.3, а). Чем меньше эта сила, тем эффективнее применяемый смазочный материал [153,154,165]. и типовой график «сила деформирования - перемещение траверсы» и инструментальная оснастка (а), процесс волочения на разрывной машине и внешний вид экспериментальной оснастки (б)
Редуцирование на сегодняшний день является весьма продуктивным технологическим процессом пластического формоизменения детали. С его помощью получают гладкие и ступенчатые сплошные и полые изделия с гладкой и шлицевой поверхностью на отдельных ступенях. Также редуцирование может применяться для калибровки заготовок по наружному диаметру [153]. В очаге деформации при редуцировании напряженное состояние всестороннего неравномерного сжатия. Как правило, процесс редуцирования характеризуется большими силами трения.
Схема испытаний, форма заготовок до и после редуцирования, а также график зависимости «сила деформирования - перемещение траверсы» регистрируемый компьютером показаны на рис. 2.4.
Оснастка для оценки эффективности смазок и покрытий в процессе редуцирования представляет собой ряд последовательно расположенных матриц в одном корпусе, что позволяет редуцировать заготовку за один ход пуансона с пятью очагами деформации (рис. 2.4, д).
Оценку эффективности ТСМ выполняли по величине средней силы редуцирования, которую определяли из четырех сил деформирования. Чем меньше эта сила, тем эффективнее применяемый смазочный материал.
Для оценки средних по очагу силы трения, нормальной нагрузки, коэффициентов трения, была разработана и реализована схема волочения заготовок в виде прутков и полос различного сечения с использованием роликовой не приводной волоки (рис. 2.5, патент РФ № 2538673, от 10.01.15). В этом случае, кроме стандартной силоизмерительной системы с программным обеспечением ПО-3, машина дополнительно была оснащена двумя независимыми силоизмерительными системами [160,161] . Для замера силы трения, создающей крутящий момент на валках при волочение заготовки, использовалась силоизмерительная система с тензорезисторным датчиком силы, работающими на растяжение, а для измерения нормальной нагрузки силоизмерительная система с двумя датчиками силы мембранного типа, работающими на сжатие, которые устанавливались под опоры подшипников скольжения одного валка.
Экспериментально - аналитический метод определения коэффициента трения в процессе выдавливания
В процессе контактного взаимодействия заготовки с инструментом часть энергии деформации расходуется на разогрев контактных поверхностей. Чем больше контактные давления и скорости деформации, тем больше температура. Рост температуры значительно влияет на физико-химические свойства смазочных материалов и, следовательно, на эффективность их действия. Переход от легких условий работы трущихся тел к тяжелым, от тяжелых к катастрофическим по температурному критерию можно оценивать по методу, описанному в ГОСТ 23.221-84. Сущность метода состоит в испытании сопряжения с точечным, или линейным контактом, образованным вращающимся с постоянной скоростью образцом и тремя (или одним) неподвижными образцами. При постоянной нагрузке и ступенчатом повышении объемной температуры образцов и окружающего их смазочного материала от внешнего источника тепла, регистрируют момент трения во время испытаний, по изменениям которого судят о температурной стойкости смазочного материала. Зависимость коэффициента трения от температуры характеризуется тремя переходными температурами, которые соответствуют существованию определенного режима граничной смазки (рис. 2.23) [94,108].
Первая критическая температура Ткр.і характеризует дезориентацию граничного слоя в результате десорбции (разрушение под воздействием температуры адсорбированного слоя смазочного материала с контактной поверхности), которая приводит к потере несущей способности этого слоя. Такой процесс сопровождается резким повышением коэффициента трения, интенсивным адгезионным изнашиванием сопряженных деталей (кривая ОАВ2). Если в смазочном материале имеются химически активные компоненты, то они разлагаются под действием, силового поля твердого тела и каталитического воздействия обнаженной поверхности металла. Такой процесс сопровождается выделением активных компонентов, которые вступают в реакцию с поверхностью металла и образуют модифицированный слой, имеющий меньшее (по сравнению с основным металлом) сопротивление сдвигу. В результате этого происходит снижение момента или коэффициента трения и замена интенсивного адгезионного изнашивания более мягким коррозионно-механическим [94,108].
По мере роста температуры увеличивается доля покрытия (рис. 2.21, б) поверхностей контактирующих тел модифицированным слоем с толщиной, достаточной для эффективного разделения трущихся тел, и при этом коэффициент трения снижается до тех пор, пока при температуре Т (точка С на анализируемой зависимости) значение В не достигнет некоторой критической величины, в следствии чего устанавливается практическое постоянное значение коэффициента трения в достаточно широком интервале температур, зависящим как от реагентов и материалов трущихся тел, так и от условий работы узла трения. По мере повышения температуры увеличивается скорость образования модифицированного слоя. Одновременно увеличивается скорость разрушения этого слоя в результате его изнашивания или диссоциации (диссоциация-распад сложных химических соединений на составляющие компоненты). Когда в точке D (см. рис. 2.21, а) скорость разрушения модифицированного слоя превысит скорость его образования, будут иметь место металлический контакт трущихся тел, резкое повышение коэффициента трения, смена коррозионно-механического изнашивания интенсивным адгезионным, необратимое повреждение поверхностей, заедание и выход узла трения из строя [108].
Испытания смазочных материалов проводили при ступенчатом повышении 100 объемной температуры (через каждые 20С) до 350С без замены смазочного материала и смены образцов и без промежуточной разборки узла трения. Частота вращения верхнего шарика по трем неподвижным составляла 1 оборот в минуту. Время нагрева от 20 С до 350 С составляло 30 минут. Кроме описанных выше методик, в работе для исходного и деформированного состояния образцов определяли шероховатость поверхности на профилометре модели 253, и TR 220, микротвердость поверхности на микротвердомере MicroMet 5101, условный предел текучести и условное сопротивление разрыву по ГОСТ 1497-84 на разрывной машине ИР 5047-50. Микрорентгено спектральный анализ поверхности образцов проводился с использованием сканирующего микроскопа JSM 6490 LV фирмы Jeol во вторичных и упруго отраженных электронах и специальной приставки к сканирующему микроскопу - INCA Energy 450. Анализ рельефа поверхности при увеличениях от 20 до 75 крат был исследован с помощью стереомикроскопа Meiji Techno с применением программного продукта Thixomet PRO и оптического микроскопа Микмед-1 (увеличение 137 крат).
В качестве смазочных материалов в исследованиях использовались индустриальные масла И-12А, И-20А, И-40А и др. без присадок. В качестве присадок применялись различные поверхностно-активные присадки - ПАВ, химически-активные присадки сера, хлор, фосфор, в качестве наполнителей дисульфид молибдена, графит, фторопласт, порошки полиэтилена и др. Кроме этого, в работе оценивались трибологические свойства промышленных смазочных материалов отечественного и зарубежного производства, применяемые для холодной обработки металлов давлением сталей и сплавов.
В исследованиях так же использовались ТСМ отечественного и зарубежного производства. В качестве подсмазочных покрытий применяли фосфатирование, оксалатирование, меднение, и др. Лабораторные исследования были проведены на заготовках из сталей 20Г2Р, 20 с различными способами подготовки поверхности, 08кп, 08ю, 12Х18Н10Т, 12ХН2, алюминиевого сплава АД-31 и др.
Влияние способа подготовки поверхности на степень деформации до разрушения, силу деформирования и коэффициент трения при волочении через роликовую волоку
Зависимость величины крутящего момента от скорости резьбообразования для смазочных материалов с различной кинематической вязкостью при 50С и 3% серосодержащей присадки и 3% ПАВ: 1 - вязкость 13 сСт, с присадками; 2 - вязкость 32 сСт, с присадками; 3 - вязкость 50 сСт, с присадками; 4- вязкость 92 сСт, с присадками; 5 - смазочный материал без присадок (масло И-40А) Такое поведение ТСМ с разной вязкостью можно объяснить тем, что в этих тяжело нагруженных процессах деформирования реализуется режим граничного трения. В этом случае на триботехнические свойства смазочного материала основное влияние оказывают поверхностно - активные и химически - активные присадки, которые в процессе трения образуют продукты взаимодействия активных компонентов смазочного материала с поверхностными слоями заготовки и инструмента.
Зависимости силовых и деформационных параметров процесса прямого выдавливания от способа подготовки поверхности заготовки и применяемого технологического смазочного материала Промышленное опробование импортных ТСМ, таких как «HFF-22» фирмы «Файншнайдоль» (Германия), «Илоформ ФН-276» фирмы «Кастрол» (Англия), «PW-1655» фирмы «Сульфохем», «Макко-Экструдойл-51» и «Экструдинг-641» фирмы «Витко Кемикал» (США), а также украинских ТСМ «ХС-163», «Эмбол-3», «Эмбол-4», «МР-99», «Укринол-5/5» в условиях ОАО «БелЗан» г. Белебей на операциях высадки и формообразования внутренних резьб показало, что наиболее эффективными смазками из вышеперечисленных являются «Макко-Экструдойл-51» и «Экструдинг-641», обеспечивающие приемлемую технологическую деформируемость, стабильность в течение всего срока эксплуатации, инвариантность к технологическим схемам, степеням и скоростям деформирования, высокую стойкость инструмента. Наиболее близким к ним по эффективности действия оказалась смазка «Эмбол-4», но при ее использовании в резьбораскатных автоматах отмечался резкий неприятный запах, а масляный туман раздражал слизистую оболочку глаз. Остальные опробованные аналоги не обеспечивали требования технологического процесса по стойкости инструмента.
В связи с вышеизложенным была начата разработка отечественной смазки, не уступающей по технологическим свойствам ТСМ «Экструдинг-641» [172,194,208].
После проведения комплекса лабораторных физико-химических, трибологических исследований и опытно-промышленных испытаний была получена композиция «Росойл-ШОК», содержащая в своем составе серу со держащую присадку и ПАВ.
Лабораторные исследования проводились при прямом выдавливании (рис.2.2). Материал инструмента - сталь Р6М5, скорость деформирования - 100 мм/мин, материал образцов - сталь 20 и 08Х18Н10Т, диаметр образцов - 5 мм, длина - 15 мм. На часть образцов из стали 20 было нанесено фосфатное покрытие, на образцы из стали 08Х18Н10Т - оксалатное и медное покрытие. Относительная степень деформации составляла 20, 40, 60%.
Для сравнения были выбраны следующие технологические смазочные материалы: импортный ТСМ «Экструдинг-641» и отечественный ТСМ «Белойл».
Как видно из таблицы 4.1, разработанная композиция «Росойл-ШОК» обеспечивает деформирование на уровне ТСМ «Экструдинг-641». При этом следует заметить, что исследуемые смазочные материалы не обеспечивают деформирование с относительной степенью деформации 60%. На рисунке 4.6 приведены результаты испытаний вышеуказанных материалов при различных степенях деформации на фосфатированных образцах из стали 20 (каждое значение есть среднеарифметическое из пяти опытов).
Результаты проведенных исследований показывают, что эффективность смазки «Росойл-ШОК» с увеличением степени деформации увеличивается по отношению к выбранным аналогам.
Так, например, сила выдавливания на смазке «Росойл-ШОК» снижается по отношению к «Экструдинг-641» на 6% для относительной степени деформации 40% и на 9% для є = 80%; сила выталкивания на 16% и 33%, соответственно; напряжение трения в контейнере, соответственно, на 15% и 35%.
На рис. 4.7. приведены результаты испытаний этих же смазок при выдавливании стали 08Х18Н10Т (скорость деформирования 100 мм/мин, относительная степень деформации 30%). В исследованиях использовали образцы без покрытия, омедненные и оксалатированные (каждое значение есть среднеарифметическое из пяти опытов).
Влияние степени относительной деформации на энергосиловые параметры и напряжение трения при прямом выдавливании фосфатированных образцов для различных технологических смазочных материалов Не трудно заметить, что наибольшая разница в силах деформирования наблюдается на образцах без покрытия. При нанесении покрытия (медь, оксалат), которые являются дополнительным смазочным слоем, разница в силах деформирования относительно одной или другой смазки нивелируются [164,169,178,]. Так же показано, что на образцах без покрытия применение разработанной смазочной композиции обеспечивает более высокую эффективность процесса холодного прямого выдавливания коррозионностойкой стали со степенью деформации 30%. По отношению к «Белойлу» сила деформирования снижается на 12%, сила выталкивания на 30%, а по отношению к «Экструдинг-641» на 6% и 16%, соответственно.