Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности контактного трения и выбора технологических смазочных материалов в процессах холодного объемного деформирования 8
1.1 .Особенности трения в процессах обработки металлов давлением 8
1.2. Основные законы трения 16
1.3. Вопросы применения технологических смазочных материалов при обработке металлов давлением 22
1.4. Использование различных наполнителей в смазках для обработки металлов давлением 28
1.5. Математическое моделирование и задачи, решаемые с помощью программно-вычислительного комплекса Deform-3D 33
1.6. Особенности прямого и обратного выдавливания 43
1.7. Выводы 47
Глава 2. Методики исследований, материалы, оборудование 48
2.1. Методика и оборудование, используемые для определения триботехнических характеристик технологических смазочных материалов с учетом реальных условий их применения 48
2.2. Методики, используемые для определения стабильности смазочных композиций
2.2.1. Методика оценки седиментационной стабильности смазочных композиций 52
2.2.2. Методика оценки дисперсности наполнителей 54
2.3. Исследуемые технологические смазочные материалы и наполнители... 55
2.4. Обрабатываемые материалы 57
Глава 3. Оценка коэффициента трения при холодном выдавливании металлов 59
3.1. Моделирование процесса прямого холодного выдавливания
3.1.1. Основные допущения и исходные данные для математического моделирования на программном комплексе DEFORM-3D процесса прямого холодного выдавливания 59
3.1.2. Результаты моделирования процесса прямого холодного выдавливания
3.2. Экспериментально-аналитический метод определения коэффщиента трения между инструментом и заготовкой 67
3.3. Моделирование процесса обратного выдавливания детали «палец поршневой»
3.3.1. Основные допущения и исходные данные для математического моделирования процесса обратного выдавливания детали «палец поршневой» 71
3.3.2. Результаты моделирования процесса обратного выдавливания детали «палец поршневой» 75
3.4. Информационная база данных по трибологическим характеристикам технологических смазочных материалов с наполнителями 83
3.5. Выводы ; 86
Глава 4. Эффективность технологических смазочных материалов с наполнителями 88
4.1. Обоснование композиции технологических смазочных материалов для тяжелонагруженных операций холодной объемной штамповки 88
4.2. Влияние вида, дисперсности и процентного содержания наполнителя на седиментационную стабильность
4.2.1. Краткая характеристика и некоторые физико-механические показатели наполнителей, использованных в работе 90
4.2.2. Дисперсность порошковых наполнителей : 98
4.2.3. Седиментационная стабильность порошковых наполнителей 106
4.3. Влияние вида, дисперсности и процентного содержания наполнителя на силу прямого выдавливания 111
4.4. Выводы 116
Глава 5. Промышленная апробация разработанных смазочных материалов 117
5.1. Опытно-промышленные испытания смазочных материалов при изготовлении детали «полег; поршневой» 117
5.2. Технологический смазочный материал «Росойл-СН-М» 121
5.3. Выводы 123
Основные выводы и результаты
- Вопросы применения технологических смазочных материалов при обработке металлов давлением
- Методики, используемые для определения стабильности смазочных композиций
- Основные допущения и исходные данные для математического моделирования процесса обратного выдавливания детали «палец поршневой»
- Влияние вида, дисперсности и процентного содержания наполнителя на седиментационную стабильность
Введение к работе
з
Актуальность работы.
Взаимодействие поверхностей инструмента и заготовки при холодной пластической деформации металлов характеризуется предельными для процессов внешнего трения контактными давлениями (до 2000-2500МПа).
В условиях операций объемной пластической деформации металлов жидкие смазки не обеспечивают достаточного эффективного противодействия адгезионному взаимодействию поверхностей инструмента и заготовки. Поэтому применяют смазки с твердыми наполнителями, частицы которых экранируют соприкасающиеся поверхности, противодействуя адгезии, и снижают трение за счет того, что сдвиговые перемещения реализуются внутри частиц наполнителя.
Деформационный разогрев и упрочнение материалов контактирующих тел существенно усложняет протекание трибологических процессов при объемной пластической деформации металлов. Поэтому, использование справочных данных о коэффициентах трения, полученных на стандартных машинах трения снижает точность технологических расчетов.
Большой вклад в изучение проблем трения и изнашивания трибосопряжений и методов повышения сроков службы машин и оборудования внесли отечественные ученые Буше Н.А., Буяновский И.А., Гаркунов Д.Н., Дроздов Ю.Н.. Захаров СМ., Крагельский Н.В., Матвеевский P.M., Михин Н.М., Семенов А.П., Сорокин Г.М., Хрущов М.М. и другие.
Значительный вклад в развитие науки о трении при обработке металлов давлением внесли многие ученые, в том числе профессора: Белосевич В.К., Грудев А.П., Исаченков Е.И., Казаченок В.И., Колмогоров В.Л., Леваїюв А.Н., Тилик В.Т. и другие.
Однако определение триботехнических характеристик смазочных материалов с наполнителями для холодной пластической деформации до сих пор остается актуальной задачей повышения эффективности механообработки.
Диссертация выполнена в Научно-исследовательском институте «Триботехники и смазки» при НИЧ Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ) и связана с проведением исследований в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» 2009-2013гг., Государственной научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» 2001-2002гт.
Цель работы - разработка методики определения коэффициента трения между инструментом и заготовкой в процессах холодного пластического деформирования металлов и создание информационной базы данных по триботехническим характеристикам наполнителей в технологических смазочных материалах.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе сформулированы основные задачи исследования:
Выполнить анализ и выявить особенности определения и выбора коэффициента трения при проектировании операций холодной объемной штамповки.
Разработать методику определения коэффициента трения между инструментом и заготовкой при холодном объемном пластическом деформировании металлов.
С помощью программно-вычислительного комплекса (ПВК) Deform-3D математически смоделировать процессы холодного прямого и обратного выдавливания, оценить влияние коэффициента трения на параметры напряженно-деформированного состояния (НДС) заготовки, ее нагрев в процессе деформирования, а также силы и контактные давления.
Провести исследования триботехнических характеристик и седименташюнной стабильности порошковых наполнителей различной природы в технологических смазочных материалах (ТСМ) и сформировать информационную базу данных по этим характеристикам и значениям коэффициентов трения.
5. Разработать новый состав ТСМ для обратного выдавливания детали «палец
поршневой» двигателя автомобиля «КАМАЗ», позволяющий повысить качество
получаемых заготовок и стойкость штамповой оснастки.
Научная новизна.
Предложена методика определения коэффициента трения между инструментом и заготовкой при пластическом деформировании металлов, основанная на результатах физического и математического моделирования технологической операции.
Получены зависимости коэффициентов трения от давления, которые позволяют учитывать в расчетах значения коэффициентов трения, соответствующие локальным участкам контактных поверхностей.
Установлены зависимости параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) заготовки и инструмента, нагрева заготовки в процессе пластического деформирования, а также сил прямого и обратного выдавливания, от величины коэффициента трения на контактных поверхностях.
Создана информационная база данных по триботехническим характеристикам и седиментационной стабильности ТСМ с твердыми наполнителями.
Практическая значимость работы состоит в создании методики определения коэффициентов трения между инструментом и заготовкой в процессе пластического деформирования металлов и формировании базы данных по триботехническим характеристикам, седиментационной стабильности и технологической эффективности порошковых наполнителей, используемых в смазочных материалах для объемной штамповки, а также разработке ТСМ «Росойл-СН-М», позволяющей реализовать в производстве технологию изготовления детали «палец поршневой» двигателя автомобиля «КАМАЗ» из стали 12ХН2 методами холодной объемной штамповки.
Автор выносит на защиту:
- экспериментально-аналитический метод определения коэффициентов трения между
инструментом и заготовкой при пластическом деформировании металлов;
- аналитические зависимости /i-fip) ' величины коэффициента трения ц от
нормальных давлений р - для различных ТСМ, которые позволяют повысить
точность технологических расчетов при объемном холодном деформировании
металлов;
- базу данных по триботехническим характеристикам типовых порошковых твердых
наполнителей и их седиментационной стабильности, позволяющую выбирать
наполнитель и его концентрацию, наиболее эффективную в составе смазочной
композиции для конкретной технологической операции.
Достоверность результатов. Основные научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации базируются на данных, полученных с привлечением современных теоретических и экспериментальных методов
исследований, математического и физического моделирования с использованием вычислительной и измерительной техники, современного исследовательского оборудования и компьютерного обеспечения.
Апробация работы. Основные результаты диссертации прошли апробацию в виде выступлений автора с научными докладами на научно-технических конференциях и совещаниях: Всероссийской научно-технической конференции «Технология и оборудование современного машиностроения», г. Уфа, 2000г.; 8-ой Международной научно-техн. конф. «Смазочные материачы и присадки». Бердянск. 2003; научно-практич. конф.-выставки «Триботех-2003». М.: 2003; 6-й международной конференции «Трибология и надежность», г. Санкт-Петербург, 2006г.; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии», Самара. 2007 г; кафедре «Износостойкости машин и оборудования и технологии конструкционных материалов» РГУ Нефти и газа им. И.М. Губкина, г. Москва, 2010г.
Реализация результатов работы.
Метод определения коэффициентов трения при пластическом деформировании металлов и математические модели прямого и обратного выдавливания используются при проведении научно-исследовательских работ в лабораториях «Хозрасчетного творческого центра Уфимского авиационного института» (ХТЦ УАИ) и Институте «Триботехники и смазки» УГАТУ. Полученные результаты используются в учебном процессе УГАТУ.
Технологический смазочный материал «Росойл-СН-М» внедрен в производство на ОАО «КАМАЗ» на операциях холодной объемной штамповки.
Серийное производство ТСМ «Росойл-СН-М» освоено на ЗАО «Опытный завод смазок и оборудования» (г. Уфа).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК по специальности защиты, 3 патента на изобретение и 8 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 137 страниц машинописного текста, включающих 66 рисунков, 18 таблиц и библиографический список из 118 наименований, приложения на 3 страницах.
Вопросы применения технологических смазочных материалов при обработке металлов давлением
Большие давления на контактных площадках в сочетании с относительным перемещением и значительной местной пластической деформацией обуславливают образование узлов схватывания [14,15].
При сухом трении прочность металлического соединения в узле схватывания в большинстве случаев выше, чем прочность заготовки. Поэтому дальнейшее относительное перемещение заготовки по поверхности инструмента возможно лишь при разрушении металла заготовки. В начальный момент сближения поверхностей инструмента и заготовки деформация локализуется у вершины выступа, так как в этом месте площадь наименьшая, а, следовательно, напряжение тт наибольшее. По мере увеличения площади контакта очаг деформации распространяется в глубину выступа по нормали. Вследствие упрочнения предел текучести металла на сдвиг os в объеме выступа оказывается переменным, так что в направлении от поверхности контакта материал деформируемой заготовки получает отрицательный градиент механических свойств 8тз/8п. В этих условиях трение внешнее переходит в трение внутреннее [16]. Дальнейшее перемещение заготовки относительно инструмента оказывается возможным лишь в том случае, если узел разрушится по поверхности среза. Опыт показывает, что поверхность среза располагается преимущественно у основания узла схватывания.
В связи с ростом контактной поверхности возрастает вероятность разрушения оксидных пленок и выхода на поверхность внутренних «свежих» частиц металла [17]. Обновление поверхности при пластическом трении значительнее, чем при машинном, когда оно происходит только в результате износа трущихся тел. Это обстоятельство способствует проявлению сил молекулярного схватывания в процессах обработки металлов давлением [1]. Очевидно, что при сухом трении контактное касательное напряжение должно определяться сопротивлением деформации материала заготовки Тз и площадью фактической поверхности контакта. Вследствие пластической деформации обрабатываемого металла резко возрастает фактическая площадь касания, хотя она, как правило не достигает размеров номинальной площади, т.е. абсолютный контакт поверхностей отсутствует [1]. Фактическая площадь касания - сумма фактических малых площадок контакта поверхности тел. Фактическая площадь является функцией геометрического очертания каждой отдельной неровности, приходящейся на нее нагрузки, механических свойств материала, из которых существенны модуль упругости, предел текучести и характеристики упрочнения материала.
Поэтому контактное касательное напряжение соизмеримо с пределом текучести на сдвиг тз. Силовой режим деформации в этих условиях исключительно тяжелый. Кроме того, схватывание при сухом трении приводит к резкому ухудшению поверхности деформируемой заготовки, износу инструмента, иногда совершенно катастрофическому. Металлические соединения трущихся поверхностей в узлах схватывания образуются как при повышенных температурах, так и при комнатной; как при достаточно больших скоростях относительного скольжения, так и при статическом контакте [18]. Прочность контакта в узле схватывания определяется сродством инструмента и заготовки. Если сродство велико, то металлический контакт очень прочен и при трении металл заготовки налипает на инструмент. Если же сродство небольшое, то металлический контакт при низких температурах очень непрочен и с увеличением температуры его прочность изменяется незначительно. Поэтому в случае деформации инструментом, свойства которого сильно отличаются от свойств заготовки, схватывание имеет место, но налипание металла заготовки на поверхность инструмента не происходит. Конечно, такие условия трения благоприятнее по всем параметрам: силовому режиму,- качеству изделий, износа инструмента [19]. В чистом виде сухое трение возникает лишь при обработке металлов давлением в глубоком вакууме. В обычных условиях деформации без смазки, поверхности заготовки и инструмента покрыты окислами, пленками влаги, газов, различными загрязнениями. Поэтому условия, близкие к сухому трению, существуют лишь на отдельных участках поверхности деформируемой заготовки, да и то при отсутствии эффективной смазки.
Граничное трение при обработке металлов давлением встречается чаще других других видов. Оно характеризуется тем, что поверхности инструмента и заготовки разделены тончайшим слоем смазки, обычно не более 10"6 - 10"4 мм. Губкин СИ. [20] определяет граничное трение как трение со смазкой, которая ведет себя как твердое тело, т.е. не обладает основным свойством жидкости -текучестью. Отсюда следует, что закономерности граничного трения не могут быть описаны на основании законов гидродинамики. Здесь особо важное значение приобретают свойства смазки и состояние контактирующих поверхностей. Смазочные пленки толщиной 10"4 мм качественно отличаются от нормальной жидкости, из которой они образованы. Неровности контактирующих поверхностей местами прорывают смазочную пленку, образуя узлы схватывания. Если пленка имеет малую механическую прочность, то количество узлов-схватывания может быть весьма большим и граничное трение приближается к сухому.
Гидродинамическое трение (жидкостное трение) возникает при холодной пластической деформации с обильной смазкой. Особенность этого вида трения состоит в том, что во всех точках контактной поверхности заготовка и инструмент разделены толстой, более 10" мм, пленкой смазки.
При использовании эффективных смазок толщина пленки оказывается достаточно большой, трущиеся поверхности надежно разделяются, а контактное касательное напряжение оказывается минимальным: примерно на два порядка ниже, чем при сухом трении. Это приводит к резкому снижению
Методики, используемые для определения стабильности смазочных композиций
Наполнители вводят либо в готовые смазки, либо в процессе приготовления смазки. Если при использовании наполнителя требуется сохранить постоянство реологических свойств основы смазки, то его вводят в готовую смазку при ее гомогенизации. Если же наполнитель должен принять участие в формировании структуры смазки, то его следует вводить в процессе приготовления смазки, т.е. при температуре, превышающей температуру плавления загустителя. Свойства смазок можно варьировать подбором наполнителей и изменением соотношения между наполнителем и загустителем. Способ введения наполнителей практически не сказывается на эффективности смазок [5].
Для повышения активности наполнителей их предварительно отмывают от примесей, подвергают термообработке, кипячению в воде и других растворителях, активизации щелочами и т.п.
В науке и технике постоянно приходится сталкиваться с проблемой расчета систем, имеющих сложную геометрическую конфигурацию и нерегулярную физическую структуру. Компьютеры позволяют выполнить такие расчеты при помощи приближенных численных методов. Одним из таких методов, получившим в последние десятилетия очень широкое распространение и занявший среди них ведущее положение, является метод конечных элементов (МКЭ) [62-67].
МКЭ — это численный метод, заключающийся в разбиении рассматриваемой области упругого тела на ряд подобластей, в каждой их которых неизвестные поля имеют простое аналитическое выражение с точностью до нескольких констант. Задача состоит в определении этих констант из вариационных принципов или условий совместности [62-70].
Постоянно возрастающие требования по снижению материалоемкости, увеличению надежности конструкций, а также повышению эффективности технологических процессов обработки металлов давлением приводят к необходимости .уточнения расчетных условий при исследовании их напряженно-деформированного состояния методами математического моделирования. Наиболее эффективным инструментом, позволяющим проводить такого рода анализ, являются программы на основе метода конечных элементов (МКЭ) [62,65-66,70-72].
При разработке технологии обработки металлов давлением необходимо уметь правильно рассчитывать требуемые силы, характер течения металла, напряжения и деформации, как в деформируемой заготовке, так и в штампах. Нелинейность задачи исключает возможность нахождения «простых» аналитических решений и требует применения сложного математического аппарата.
Такие программно-вычислительные комплексы (ПВК) интенсивно развиваются уже многие годы по разным направлениям и в некоторых аспектах сложились определенные стандарты, которым следуют в той или иной мере разработчики новых программ на базе МКЭ.
Одним из таких ПВК является Deform-3D. В системе DEFORM-3D можно использовать любое число объектов, как деформирующих, так и деформируемых. При этом любой объект может перемещаться в любом направлении и с любой скоростью. Благодаря этому можно анализировать практически любой технологический процесс обработки металлов давлением, как например, ковка, горячая, полугорячая и холодная штамповка, прокатка, прессование, высадка, вытяжка, обкатка, компактирование порошковых материалов.
В расчетном комплексе Deform-3D в качестве исходной модели материала используется кривая «Напряжений-деформаций». Расчетные величины представляют собой эффективные напряжения (фон Мизеса) и эффективные деформации, соответственно, определяемые по уравнениям = f V(si s2)2 +(s2 -єз)2 + (єз -Si)2- (L18)
Для учета увеличения пластичности используется истинная кривая деформирования, учитывающая увеличение напряжений течения материала. С увеличением деформаций, происходит рост напряжений, вызываемых ими в материале и кривая экстраполируется с ростом деформаций.
Напряжения течения материала зависят от ряда факторов, таких как накопленные деформации, скорость деформирования и температура, ввиду этого в расчеты вводится дополнительные кривые, зависящие от данных переменных (рис. 1.1).
В случаях, когда упругими деформациями можно пренебречь (когда материалу сообщаются большие пластические деформации и вклад упругой составляющей невелик), для описания деформационного поведения материала используются уравнения Леви-Мизеса (1.19) для связи тензоров напряжений и скоростей деформаций.
Для достижения точного определения напряжений течения материала, важен принцип минимальной работы - распределение скорости, при котором достигается наименьшая работа деформированрія, является наилучшим приближением к фактическому распределению скорости.
Основные допущения и исходные данные для математического моделирования процесса обратного выдавливания детали «палец поршневой»
Микроскоп «Микмед-1». В общем случае частица имеет три основных размера - длину 1, ширину b и высоту h. В зависимости от того, какие из них доступны для измерения, применяются различные выражения для определения эквивалентных размеров. В нашем случае представляется возможным замерить две величины частицы -длину и ширину. Среднее арифметическое из значений наибольших размеров длины и ширины частицы, в данном случае не подходит, т.к. отдельные частицы наполнителей не имеют правильной геометрической формы, и находятся в большой зависимости от соотношения размеров частиц. В связи с этим отдается предпочтение определению статистических длин хорд, максимальных длин хорд, диаметры описанных окружностей и другие параметры [88,89]. На рисунке 2.5 показан способ нахождения так называемого диаметра Фере. Этот способ положен в основу автоматизированного счета и измерения частиц с помощью сканирующих систем, в которых луч света пробегает изображение частицы по прямым линиям.
Исследуемый наполнитель помещали на специальное зеркало под микроскоп. Фотографировали с помощью видеосистемы для микроскопии.
Определение диаметра Фере, по проекциям частиц порошковых материалов, где Зр- - диаметр Фере. Фотографии сохраняли в виде файлов на компьютере. По полученным фотографиям измеряли выборочно диаметр Фере у 100 частиц для каждого наполнителя. По результатам этих замеров строятся столбчатые диаграммы распределения частиц по фракциям. Произведя статистическую обработку полученных данных, полу чаем средний размер частиц каждого наполнителя по фракциям соответственно.
В качестве эталона при оценке эффективности смазочных композиций с твердыми наполнителями использовали серийный смазочный материал «Росойл-ШОК» производства НПО «ХТЦ УАИ», являющийся высокоэффективной смазкой для ОМД.
Технологическая смазка «Росойл-ШОК», предназначена для применения при холодной объемной и листовой штамповке сложнопрофильных деталей из сталей и цветных металлов при температуре до 300С и удельных нагрузках на инструмент до 2350 МПа, при накатке, раскатке и нарезке резьбы, а так же лезвийной и абразивной обработке металлов. В таблице 2.1 приведены физико-химические свойства испытанных смазочных материалов.
Смазка изготавливается из индустриального масла общего назначения по ГОСТ 20799, технического растительного масла с добавкой поверхностно-активного вещества и активных противозадирных присадок.
Вязкость при 50 С, сСт ГОСТ 33-82 26,631 Плотность при 20 С, г/см3 ГОСТ 3900-85 0,8953 Температуравспышки в открытом тигле, С ГОСТ 4338-87 204 Кислотное число мг КОН/100 г. ГОСТ 5985-79 1,99 Содержание серы, %. ГОСТ 1431-85 2,47 Температура застывания, С. ГОСТ 20287-91 -17 В качестве основы для смазочных композиций с наполнителями использовался серийный ТСМ производства НПО «ХТЦ УАИ» — «Росойл-СЭЛ». ТСМ "Росойл-СЭЛ" применяется в смеси с абразивным порошком для операций притирки и представляет собой сложную композицию на базе минерального масла, загустителей, диспергаторов, эмульгаторов и функциональных присадок.
Основные исследования были проведены на горячекатаном прокате из стали 12ХН2 (ГОСТ - 4543-71), механические свойства и химический состав которой представлен в табл.2.3 и 2.4. Твердость в пределах 130...240 НВ. Диаметр 4,9 мм. Прутки диаметром 4,9 мм были разрезаны механическим способом на цилиндрические образцы длиной 15 мм каждый. Модуль упругости Е=211000МПа; модуль упругости при сдвиге кручением G=95000MTIa; плотность p=7880 кг/м . Данные образцы были использованы в методике описанной в пункте 2.1.
Основные допущения и исходные данные для математического моделирования на программном комплексе DEFORM-3D процесса прямого холодного выдавливания
Основными допущениями и исходными данными для математического моделирования процесса прямого холодного выдавливания на программном комплексе DEFORM были следующие: - трение на всей поверхности контакта инструмента с заготовкой подчиняется закону Кулона; - процесс выдавливания считается холодным (температура металла ниже температуры рекристаллизации); - процесс деформирования заготовки протекает по диаграмме, соответствующей пластическому телу с кинематическим линейным упрочнением; - материал заготовок является изотропным. Исходные данные для моделирования.
Заготовка: цилиндр из стали 12ХН2 диаметром 4,9 мм и длиной 15 мм; Матрица обеспечивает степень деформации от 30 до 50%; Скорость деформирования составляла 100 мм/с; коэффициент Пуассона 0,3; коэффициент теплопередачи 0,115; коэффициент трения при вариантных расчетах изменялся в диапазоне 0...0,57; модуль Юнга 211 ГПа. Диаграмма упрочнения стали 12ХН2 задавалась рядом кривых, в зависимости от степени деформации и температуры.
Инструмент изготовлен из стали Р6М5. Предел прочности 2200 -2500МПа; коэффициент Пуассона 0,3; коэффициент теплопередачи 0,115; модуль Юнга 215 ГПа. 3.1.2. Результаты моделирования процесса прямого холодного выдавливания
На рисунке 3.1 представлена трехмерная модель заготовки с нанесенной на нее сеткой конечных элементов. В качестве конечных элементов используются тетраэдры с начальным количеством 22000 штук. Первоначальное число элементов определяется, исходя из геометрических особенностей оснастки и формы заготовки, и их оптимальное количество определяется в ходе формы элементов, поэтому в расчете используются специальные алгоритмы по перестроению первоначальных, тестовых расчетов.
В виду того, что заготовка значительно деформируется в ходе процесса, происходит необратимое искажение сетки и увеличению их числа в очагах деформаций. Так, конечное число элементов в заготовке на заключительной стадии процесса достигает 50000. Для увеличения точности расчета распределения деформаций в заготовке и в очаге деформирования, а также контроля формы заготовки, был увеличен вклад весовых коэффициентов влияния данных факторов. Оптимальные значения весовых коэффициентов были приняты для формы - 0,85, для распределения деформаций - 0,995, а влияния «окна» сгущения сетки в очаге деформаций — 0,65. Данные значения, основываясь на проведении множества численных экспериментов, являются наиболее оптимальными в условиях применения в данной задаче. .
Влияние вида, дисперсности и процентного содержания наполнителя на седиментационную стабильность
Работу по подбору состава смазки можно разбить на ряд последовательных этапов. Упрощенно отметим три главных этапа разработки [94-96]: - анализ условий технологического процесса, обоснование направления разработки и формулировка технических требований к смазке; - подбор состава смазки и предварительная его оценка в лабораторных условиях; - производственная оценка выбранного состава. Окончательное суждение о результатах разработки может быть получено после длительных производственных испытаний, проверки возможных побочных эффектов и технико-экономической оценки. При анализе условий технологического процесса, исходя из имеющегося или предлагаемого оборудования, вида продукции, практического опыта и существующих аналогов, определяется тип технологической смазки: масло, эмульсия, твердая смазка, консистентная смазка или смазка с наполнителем. Определяются важнейшие требования к смазке, диктуемые как практикой применения известных составов, так и особенностями конкретного вида производства [97-102].
На основании анализа условий технологического процесса, для которого подбирается смазка, определяется количественная оценка важнейших показателей: антифрикционных, противоизносных и противозадирных; облегчение подачи смазки в зону обработки и охлаждение, долговечность и стабильность смазки.
Следующая группа требований обусловлена сопутствующими технологическими операциями: удаляемость смазки с поверхности изделий, в процессах термообработки смазка не должна вызывать пятен и дефектов поверхности и структуры металла, защита металла от коррозии [94-101].
Наконец, ряд требований общего характера, без выполнения которых применение любой смазки невозможно, либо крайне ограничено: пожаробезопасность, нетоксичность, пригодность к транспортированию и хранению, экономические соображения (стоимость, наличие сырья).
Удовлетворение всех требований к смазке при использовании одного какого-либо химического соединения редко возможно, тем более, что многие требования противоречат друг другу. Оптимальный состав должен подбираться в общем случае, исходя из принципа обеспечения многофункциональности смазки за счет ее многокомпонентности [94-105].
Высокий уровень удельных усилий, присущий процессам деформации холодной объемной штамповкой, является основным ограничением сферы ее использования. В условиях деформации, при высоких давлениях, возникает необходимость использования в составах ТСМ присадок высокого давления: серу-хлор, фосфорсодержащие соединения [52,103]. При тяжелых условиях пластической деформации химически активные присадки содержащие серу, хлор, фосфор, хотя и достаточно эффективны, но в ряде случаев все же имеют ограничения применения по удельным нагрузкам. Здесь же следует отметить наличие в литературе данных о том, что при деформировании с удельными нагрузками 1500-2500 МПа снижение усилий на 10% дает повышение стойкости инструмента на 10000 циклов нагружения [52]. В случае особо тяжелонагруженных операций ОМД, когда давления в зонах деформации достигают очень больших величин, ТСМ, содержащие вышеуказанные присадки, не обеспечивают саму возможность осуществления процесса деформирования. В этом случае требуется введение в ТСМ твердых наполнителей различной природы: графит, дисульфид молибдена, порошки различных металлов, мел, тальк и т. д. [52,103].
Краткая характеристика и некоторые физико-механические показатели наполнителей, использованных в работе
В технике графит применяется в качестве смазочного материала уже более 130 лет. Он имеет гексагональную решетчатую структуру и анизотропную электропроводность, которая в направлении гексагональной оси в 25 раз больше, чем в основной плоскости решетки кристалла. Графит имеет очень высокую химическую стабильность и практически инертен к радиоактивному излучению. При нагреве на воздухе до температуры выше 450С он образует ССЬ, который выделяется, не оставляя никаких измельченных частиц [104].
Высокие смазочные свойства графита объясняются его слоистой решетчатой структурой: слабые силы взаимодействия между слоями углерода не препятствуют скольжению «плоскостей» из атомов углерода. Низкий коэффициент трения графита, однако, определяется не только кристаллической структурой. Он также связан с адсорбированными пленками (особенно водных паров), которые образуют поверхностный слой со слабой когезией. Следовательно, наиболее благоприятные смазочные свойства графита проявляются в присутствии влаги. Электронно-микроскопические исследования показывают, что в процессе трения пакеты слоев графита образуют «ролики» на смазываемой поверхности. В соответствии с теорией происходит ориентация кристаллов параллельно поверхности с последующим образованием (при достаточно высоком давлении) роликов, которые обеспечивают низкий коэффициент трения.
В настоящее время выпускается много марок графита и водно-графитовых препаратов, которые применяют как компоненты в смазочных материалах для различных условий применения. Они отличаются происхождением, свойствами, а также дисперсностью [105,106]. Графиты исследованные в работе имеют природное происхождение. На рисунке 4.1. представлены фотографии частиц графитов использованных а работе, сделанные с помощью микроскопа и цифровой камеры.
