Фізико-механічні засади складних схем обробки тиском та вібраційних процесів в технологіях формування порошкових виробів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА

ім. І.М. Францевича

РУДЬ ВІКТОР ДМИТРОВИЧ

УДК 620.18: 621.669.15: 621.762: 621.923.7

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ ЗАСАДИ СКЛАДНИХ СХЕМ ОБРОБКИ ТИСКОМ ТА ВІБРАЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ В ТЕХНОЛОГІЯХ ФОРМУВАННЯ ПОРОШКОВИХ ВИРОБІВ

Спеціальність 05.16.06 - Порошкова металургія та композиційні матеріали

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Луцькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, академік НАН України Скороход Валерій Володимирович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, завідувач відділу, директор інституту.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук Сердюк Геннадій Георгійович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, провідний науковий співробітник (м. Київ);

доктор технічних наук, професор, академік НАН України Лебедєв Анатолій Олексійович, Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, завідувач відділу статичної міцності та пластичності конструкційних матеріалів (м. Київ);

доктор технічних наук, професор Бейгельзімер Ян Юхимович, Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України, провідний науковий співробітник (м. Донецьк).

Провідна установа: Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, відділ комп'ютерного матеріалознавства надтвердих матеріалів для породоруйнівних інструментів.

Захист відбудеться “ 11 ” 07 2005 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.207.03 при інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, вул. Крижанівського, 3.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України.

Автореферат розісланий “ 10 ” 06 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук Р.В.Мінакова.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з найважливіших проблем в Україні є встановлення оптимального співвідношення між ресурсодобуваючими і переробними галузями національної економіки. Збільшувати добування сировини і палива все важче. Тому необхідно йти більш раціональним шляхом всебічної економії на всіх стадіях виробництва, широкого використання енерго- та ресурсозберігаючих технологій. У розв'язанні цих завдань важливе значення надається порошковій металургії. Одним із її перспективних напрямків є створення матеріалів і виробів конструкційного призначення для машинобудування, автомобілебудування та багатьох інших галузей промисловості. На сучасному етапі ефективність технологій виготовлення виробів конструкційного призначення знижується, втрачається їх конкурентоспроможність. В першу чергу, це пов'язано зі зростанням вартості вихідної сировини, вартості металевих порошків, високою енергоємністю окремих операцій.

Важливим резервом підвищення ефективності порошкової металургії є використання відходів промислового виробництва. В той же час існує недостатня кількість науково обґрунтованих технологій утилізації та переробки промислових відходів.

Вагомий внесок у теорію та практику порошкової металургії внесли фундаментальні дослідження та практичні розробки Р.А.Андріївського, М.Ю.Бальшіна, Г.І.Аксьонова, В.Н.Анциферова, К.А.Гогаєва, С.В.Бєлова, Л.С.Богінського, Б.О.Борока, П.А.Вітязя, Ю.Г.Дорофеєва, С.С.Єрмакова, Г.М.Ждановича, В.В.Іващенка, Л.О.Ісаєвича, Р.Д.Іскович-Лотоцкого, С.С.Кіпарісова, А.Г.Косторного, М.С.Ковальченка, Н.Н.Павлова, Б.С.Мітіна, О.П.Реута, О.В.Романа, Г.Г.Сердюка, В.В.Скорохода, А.В.Степаненка, І.М.Федорченка, Б.Ф.Шибряєва та інших вітчизняних і закордонних вчених.

Основним етапом виготовлення виробів із порошкових матеріалів з наперед заданими фізико-механічними властивостями - зносостійкістю, міцністю, термостійкістю - є процес формоутворення заготовок, який визначає не тільки якість готових виробів, але виключає додаткову механічну обробку. Для формоутворення використовують як традиційні методи прямого пресування порошків та обробки тиском спечених заготовок, так і нові схеми формування порошкових матеріалів з використанням високих тисків, температур, вібрацій.

Сьогоднішній стан розвитку техніки та технології висуває все більш вагомі вимоги до розуміння фізики і механіки явищ пружно-пластичного деформування некомпактних середовищ для прогнозування їх властивостей та визначення несучої здатності в реальних умовах експлуатації. В недалекому минулому практичні досягнення технології випереджували можливості теоретичного передбачення. Положення суттєво змінилося після формулювання континуального підходу до проблеми деформування пористих середовищ.

Теоретичні основи пластичності пористих тіл закладені роботами Я.Ю.Бейгельзімера, А.К.Григорьєва, Г.Я.Гуна, М.С.Ковальченка, Б.А.Друянова, А.М.Лаптєва, В.З.Мідукова, Г.Л.Петросяна, В.Є.Перельмана, В.М.Сегала, В.В.Скорохода, М.Б.Штерна, Х.Антеса, П.Доремуса, А.Кокса, Х.Куна, Ж.Прадо, М.Ріери, М.Оуана, С.Шима та ін.

Незважаючи на успіхи в теоретичному розв'язанні проблем механіки порошкових середовищ, процес накопичення експериментальних результатів, які однозначно підтверджують загальні теоретичні концепції, перебуває на початковій стадії. Основна маса таких досліджень до цього часу не систематизована і не узагальнена. В багатьох випадках відмічається значна різниця між експериментальними результатами та теоретичними положеннями.

Тому зацікавленість до теоретичної інтерпретації нових ефектів у поведінці порошкових матеріалів під навантаженням зростає. У зв'язку з цим все більшу актуальність набувають теоретичні й експериментальні дослідження, що пов'язані з вивченням фундаментальних законів теорії пластичності пористих тіл, з розробкою нових математичних моделей з урахуванням структурної будови та інших специфічних властивостей пористого матеріалу. Без розв'язання цих задач неможливе створення ефективних алгоритмів розрахунку технологічних процесів, оптимізації складних технологічних операцій, визначення несучої здатності порошкових матеріалів.

Конструкційна міцність, фізика міцності і гранична пластичність пористих та структурно - неоднорідних матеріалів, розглядалася в роботах В.М.Горохова, Г.Я.Гуна, Є.В.Звонарьова, А.О.Лебедєва, Ю.В.Мільмана, О.А.Нотича, В.А.Огороднікова, І.О.Сівака, С.О.Фірстова.

З удосконаленням комп'ютерних технологій, появою нових математичних методів розрахунку в останнє десятиріччя інтенсивно розвивається методологія і практика математичного та комп'ютерно-імітаційного моделювання технологічних процесів порошкової металургії.

Таким чином, комплексне дослідження закономірностей ущільнення і формозміни порошкових та пористих матеріалів, спрямоване на створення та впровадження науково-обґрунтованих технологій і високоефективного обладнання для виробництва високоміцних матеріалів та виробів, є актуальним науковим та практичним завданням у сфері порошкової металургії.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукові дослідження проводились згідно з національною програмою 04.00. "Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології" за напрямком 04.07 “Економічні порошкові технології в металургії, металообробці та інших галузях виробництва”.

Результати дисертаційної роботи були отримані при виконанні таких наукових держбюджетних тем: "Розробка технології холодного і гарячого ізостатичного ущільнення конструкцій та інструментальних виробів з порошкових матеріалів" - номер державної реєстрації 05.55.05/004Б-92; 5г/б-93 - "Теоретическое и экспериментальное исследование механики деформирования структурно-неоднородных материалов при сложном нагружении" - номер державної реєстрації 05.55.08/005Б-93; "Розробка технології, створення і впровадження засобів технологічного оснащення для виготовлення деталей приладів методами порошкової металургії" - номер державної реєстрації 01870031443; "Розробка теоретичних основ консолідації в сучасному матеріалознавстві" - номер державної реєстрації № ДР 0103U000279.

У роботу ввійшли матеріали, отримані при виконанні міжнародної програми INTAS - 96 -2343 з теми “Основи і експериментальне дослідження формоутворення, спікання і ущільнення в сучасних порошкових технологіях”.

Робота містить результати досліджень госпдоговірних робіт з підприємствами Волинської області та України упродовж 1992-2003 р.р. (ВАТ "Електротермометрія", м. Луцьк; ВАТ "Луцький підшипниковий завод", м. Луцьк; науково-виробнича фірма "Індустрія - Стар", м. Луцьк; науково-виробнича фірма "Сатурн - Альфа", м. Луцьк; ВАТ "Ковельсільмаш", м. Ковель; ВАТ "Завод високовольтної апаратури", м. Рівне).

Ці дослідження складають основу дисертації, автор якої є науковим керівником і безпосереднім виконавцем вказаних робіт.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - вирішення важливої науково-прикладної проблеми в галузі порошкової металургії - створення нових та вдосконалення існуючих технологій отримання порошкових виробів з підвищеними механічними та функціональними властивостями на підставі експериментального обґрунтування концепції незворотного деформування порошкових матеріалів при їх складному навантаженні і використання комп'ютерно-імітаційних моделей для оптимізації процесів ущільнення в умовах осьового навантаження, радіально-ізостатичного та вібраційного пресування.

Для досягнення цієї мети поставлені та вирішувалися такі задачі:

- розробити методи і створити експериментальні засоби для дослідження закономірностей деформування порошкових та дисперсних матеріалів за заданими програмами в умовах високих гідростатичних тисків та плоского напруженого стану;

- експериментально дослідити вплив виду напруженого стану та схеми навантаження на деформаційні та граничні властивості пористих матеріалів;

- оцінити існуючі уявлення механіки пластично стискуваних тіл і вибрати адекватні моделі поведінки пористих матеріалів з урахуванням їх структурної зв'язаності;

- розробити комп'ютерно-імітаційні моделі для проведення обчислювальних експериментів та оптимізації параметрів технологічних процесів;

- розробити нові технологічні процеси формування та обробки тиском пористих матеріалів на основі вібраційних технологій для досягнення високих показників як за щільністю, так і за механічними властивостями;

- удосконалити технологію утилізації шліфувальних шламів підшипникового виробництва на підставі отриманих модельних уявлень із використанням методу скінчених елементів і розробити методику розрахунку властивостей пористих тіл.

Об'єкт дослідження - процеси холодного ущільнення та вібраційного пресування порошкових матеріалів.

Предмет дослідження - механічні особливості поведінки порошкових матеріалів при вібраційному формуванні та обробці тиском у замкнених об'ємах.

Методи дослідження. Експериментальне дослідження процесів простого та складного навантаження порошків та спечених заготовок. Комп'ютерно-імітаційне моделювання поведінки дисперсних систем під дією зовнішніх коливальних збурень. Метод скінчених елементів для процесів радіально-ізостатичного та осьового ущільнення.

Методологія досліджень характеризується комплексним теоретичним і експериментальним вивченням процесів деформування ущільнювальних дискретних середовищ при складному навантаженні. Експериментальні роботи із дослідження впливу схеми та історії деформування на механічні характеристики пористих тіл проведені на гідростатичній установці високого тиску оригінальної конструкції з незалежним регулюванням та реєстрацією всіх силових і деформаційних параметрів.

Дослідження процесів віброформування здійснено на оригінальних експериментальних стендах і установках з гідравлічним об'ємним способом збудження коливань, які розроблені в ЛДТУ. Контроль параметрів при вібраційному пресуванні проведено за допомогою автоматизованого вимірювального комплексу. Дослідження міцності зразків виконано за стандартними методиками на програмно - модульному комплексі, який включає модулі навантаження, керування, реєстрації та обробки отриманих результатів за допомогою ПЕОМ та відповідного програмного забезпечення.

Фізико-механічні та технологічні характеристики порошків (пористість, гранулометричний склад, текучість тощо) визначалися згідно зі стандартними методиками. Результати досліджень опрацьовані методами математичної статистики.

Комп'ютерно-імітаційне моделювання виконане з використанням сучасних мов програмування. Результати скінченноелементного аналізу отримані на основі моделі, яка враховує відсутність опору порошкових матеріалів розтягуючим зусиллям. Методика визначення матеріальних параметрів конкретного порошку базується на відомій методиці визначення коефіцієнта бічного тиску, що запропонована І.Д. Радомисельським та Г.Г. Сердюком, а також на методиці врахування швидкісної чутливості для ущільнюваних порошків, яку запропонував М.Б. Штерн. Методика визначення впливу контактного тертя базується на законі Зібеля. Верифікація адекватності отриманої методики скінченноелементного аналізу проведена шляхом порівняння результатів з відомими теоретичними розв'язками й експериментальними даними.

Наукова новизна одержаних результатів. Автором розроблено методику визначення деформаційних властивостей порошків та пористих напівфабрикатів при різних сполученнях гідростатичної та девіаторної компонент напруженого стану. Досліджено вплив виду напруженого стану на закономірності об'ємної зміни та механічні характеристики пористих матеріалів при холодному деформуванні. Вперше зроблено висновки про форму поверхні навантаження пористого середовища залежно від ступеня зв'язаності елементів структури, перевірена гіпотеза єдиної кривої та принцип градієнтальності, розроблено положення про прості процеси деформування пористих середовищ.

На основі аналізу конструктивних рішень відомих гідравлічних пресів для формування заготовок з порошкових матеріалів запропоновано для реалізації складного пресового навантаження використовувати змінний вібраційний модуль на оболонках високого тиску як робочий стіл преса, вперше досліджено вплив спірально-зворотних коливань на фізико-механічні параметри заготовок у процесі їх вібраційного пресування.

Запропоновано нові методи й алгоритми комп'ютерно-імітаційного моделювання ущільнення пористих заготовок. Вперше розроблено програмне забезпечення для моделювання процесів віброформування порошкових матеріалів, яке дозволяє проводити обчислювальний експеримент при незалежній або спільній дії горизонтальних та вертикальних коливань. Доведено позитивний вплив на розподіл пористості складних за формою коливань.

Практичне значення одержаних результатів полягає у можливості використання експериментально обґрунтованих моделей пластичного деформування пористих середовищ для проектування та аналізу технології ущільнення, а також обладнання, апаратури та методики дослідження у виробничій і науково-дослідній практиці.

Реалізовано метод комп'ютерного моделювання формування пористих заготовок з вільною засипкою і з використанням вібрацій моно- та полідисперсних матеріалів. Запропоноване алгоритмічне та програмне забезпечення, яке може застосовуватися у наукових та технологічних дослідженнях для оптимізації технологій порошкової металургії.

Розроблені конструктивні схеми вібраційних модулів, які складаються з насоса змінної подачі, гідравлічного акумулятора, механізму накопичення енергії, гідравлічного мотора, гідравлічного пульсатора, виконавчого механізму на оболонках високого тиску. Запропоновані рекомендації щодо використання коливань просторової форми для отримання заготовок з підвищеними характеристиками міцності і якості.

Створений економічний програмний пакет на базі модифікованого МСЕ для розрахунків технологічних параметрів ущільнення порошків.

Практична спрямованість роботи підтверджується впровадженням у виробництво науково-технічних розробок на ряді підприємств України:

1. Розроблена і впроваджена технологія утилізації шліфувальних відходів підшипникового виробництва на ВАТ "Луцький підшипниковий завод". Прибуток від впровадження - 360 тис. гривень. Соціальний ефект - зменшується об'єм шкідливих викидів в атмосферу, покращуються умови праці.

2. Досліджена і впроваджена технологія виготовлення деталей конструкційного призначення з використанням порошку сталі ШХ15 на ВАТ "Ковельсільмаш". Прибуток від впровадження - 480 тис. гривень.

3. Впроваджена технологія виготовлення втулок важелів підвіски, втулок маятників кермового керування, розпірних втулок амортизаторів та кілець блоку синхронізаторів на ВАТ "Луцький автомобільний завод". Прибуток від впровадження - 123 тис. гривень.

4. Методика скінченноелементного аналізу холодного ущільнення порошкових матеріалів прийнята до впровадження на ВАТ "Електротермометрія" та ТзОВ "Сатурн-Альфа".

Теоретичні та технологічні розробки засовуються при вивченні дисципліни "Теорія і практика пластичності структурно-неоднорідних матеріалів " для аспірантів і магістрів відповідних спеціальностей ЛДТУ. Теоретико-методологічні результати досліджень з комп'ютерно-імітаційного моделювання та використання МСЕ застосовуються в ЛДТУ при викладанні дисциплін: "Математичне моделювання технологічних процесів" та "Спеціальні розділи САПР ТП".

Особистий внесок здобувача. Надруковані праці по темі дисертації виконані автором особисто та у співавторстві. Основні положення, висновки і рекомендації належать автору, який обрав науково-технічний напрямок, запропонував теоретико-методологічні підходи, визначив ціль та задачі досліджень. Автор здійснив постановку задач з розробки методики, конструювання обладнання та його виготовлення для експериментального дослідження незворотних деформацій пористих середовищ при складному навантаженні в умовах високих гідростатичних тисків, запропонував наукове трактування отриманих результатів. Запропоновано напрямок і методику розробки алгоритмів та програмного забезпечення при комп'ютерно-імітаційному моделюванні. Автору належить ідея застосування для ущільнення порошкових матеріалів просторових коливань спіралеподібної форми, розробка методики проведення експериментальних досліджень з оптимізації параметрів віброформування. Основними співавторами у друкованих роботах є аспіранти Ю.Я.Ткачук, Ю.Й.Тулашвілі, О.В.Заболотний, Л.О.Гуменюк, О.М.Дубинка, Д.О.Сомов, участь яких полягала у підготовці і проведенні експериментів, обробці та обговоренні результатів досліджень, впровадженні результатів у виробництво.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на наукових симпозіумах, конференціях, семінарах, а також науково-технічних радах підприємств і проектних організацій, серед них: постійно діючий Міжнародний семінар "Реологические модели и процессы деформирования пористых порошковых и композиционных материалов" (усі засідання семінару в 1981-2002 роках); семінар "Пластическая деформация в порошковых технологиях" (м. Томськ, 1984 р.); республіканський семінар "Влияние высоких давлений на вещество" (м. Одеса, 1987 р); всесоюзний семінар "Получение и обработка материалов давлением" (м. Мінськ, 1987 р.); семінар "Пластическая деформация материалов в условиях внешних энергетических воздействий" (м. Новокузнецк, 1988 р.); Всесоюзний симпозіум "Прочность материалов и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии" (м. Київ, 1989 р.); республіканська конференція "Повышение качества и надёжности машиностроительной продукции" (м. Луцьк, 1989 р.); республіканська конференція "Ресурсо- и энергосберегающие технологии в машиностроении" (м. Одеса, 1995 р.); 2-ий Міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків (м. Львів, 1995 р.); Miedzynarodowum Sympoziume Naukowum "Modulowe Technologie I Konstrukcje w Montazu" (Preszow-Boguchwala, 1996); Міжнародна конференція "Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии" (м. Київ, 1997 р.); 4-ий Міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків (м. Львів, 1999 р.); Міжнародний симпозіум “Сучасні проблеми інженерної механіки” (м. Луцьк, 2000 р.); V Міжнародна конференція “Проблеми механіки неоднорідних структур” (м. Луцьк, 2000 р.); Міжнародна конференція „ Оценка и обеспечение продления ресурса элементов конструкций” (м. Київ, 2000 р.); Науково-технічна конференція "Сучасні проблеми інженерної механіки" (м. Кременчук, 2001 р.); Міжнародний семінар "Актуальні проблеми міцності" (м. Київ, 2001 р.); Міжнародна науково-технічна конференція “Застосування теорії пластичності в сучасних технологіях обробки тиском” (м. Вінниця, 2002 р.); III Міжнародна конференція "Прогресивна техніка і технологія - 2002" (м. Київ - Севастополь, 2002 р.); Міжнародний семінар "Компьютерное проектирование технологий современного материаловедения" (м. Запоріжжя, 2002 р.); IV Міжнародний симпозіум з трибофатики (м. Тернопіль, 2002 р.); Міжнародна конференція "Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий" (Кацевелі-Понізовка, 2000 р.); X Міжнародна конференція "Машиностроение и техносфера XXI века" (м. Севастополь, 2003 р.); Польско-Українська наукова конференція „Сучасні технології виробництва в розвитку економічної інтеграції та підприємництва” (м. Хмельницьк - Сатанів, 2003 р.); 3-я Міжнародна конференція "Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий" (Кацевелі-Понізовка, 2004 р.); XI Міжнародна конференція "Машиностроение и техносфера XXI века" (м. Севастополь, 2004 р.); Науково-технічні конференції професорсько-викладацького складу ЛДТУ в 1985-2004 роках.

Публікації. Список із 48 основних праць наведено в авторефераті, з них 32 статті у наукових виданнях, зареєстрованих ВАК України (без співавторів - 5). Новизну отриманих результатів підтверджено 7 патентами та авторськими свідоцтвами.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається із вступу, шести розділів, висновків, списку літератури і додатків. Повний обсяг роботи 401 сторінка, у тому числі 185 рисунків, 26 таблиць, список використаних джерел з 543 найменувань, 10 додатків.

Робота виконана у Луцькому державному технічному університеті на кафедрі сучасних технологій машинобудування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі коротко викладено тему та обсяг досліджень, актуальність, новизну та практичну значущість дисертаційної роботи, вказано зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами, наведено мету та основні завдання дослідження.

У першому розділі розглянуто сучасний стан теорії та практики консолідації металевих порошків. Відмічено, що процес пресування порошкових матеріалів та пористих заготовок відноситься до основних етапів виробництва. Він визначає не тільки виробничі витрати, асортимент, розміри, форму, щільність деталей, але впливає на ряд важливих фізико-механічних властивостей. Стан щільності та її розподіл, що отримано під час формування, зберігається і після спікання і впливає на механічні, фільтруючі, електричні та інші властивості. Тому напрями вдосконалення властивостей із ущільнюючих матеріалів можна сформулювати таким чином:

* розвиток теоретичних уявлень про процеси деформування порошкових та пористих матеріалів як наукова база для удосконалення існуючих способів пресування і створення нових;

* розробка нових технологій їх виготовлення, що містять нетрадиційні способи формування заготовок;

* удосконалення традиційних методів пресування за рахунок створення нового обладнання та інструменту.

Цілеспрямоване управління властивостями матеріалів, що ущільнюються, на стадії пресування можливе лише на основі чіткого уявлення про механічну поведінку дискретного середовища під дією зовнішніх сил. Характер пресового обладнання, конструктивні параметри інструменту та технологічного оснащення, режими пресування визначаються схемою напружено-деформованого стану та опором деформуванню.

Теоретичні уявлення про процеси пресування дискретних та пористих середовищ розглядаються у двох напрямках. Перший напрямок розвивається на основі аналізу умов контакту між частками та їх деформації. Основою теоретичного представлення процесу пресування в цих роботах є залежність між щільністю заготовки та тиском пресування. Відсутність універсального рівняння пресування для всього діапазону зміни тиску та щільності призводить до встановлення деформаційної межі застосування існуючих моделей та розробки нових, що адаптовані як до нових технологічних процесів ущільнення, так і до нових матеріалів.

Створення способів пресування зі складними траєкторіями навантаження матеріалів сприяло появі континуальних теорій пресування, які базуються на гіпотезі суцільності по відношенню до пресованого матеріалу. Це дозволило використовувати добре розроблений теоретичний апарат механіки суцільного середовища. вібраційний шлам підшипниковий

Незважаючи на значні досягнення у сфері реалізації конкретних технологій ущільнення матеріалів, відмічаються значні розбіжності у відображенні реальних технологій і в теоретичному описанні механіки деформування порошків та пористих заготовок. Основна причина такого становища полягає в некоректній постановці експериментів з метою встановлення матеріальних параметрів, що входять в ті чи інші моделі незворотного деформування пористих середовищ. Неоднозначність визначення модельних уявлень пластичної поведінки пористих матеріалів полягає в тому, що основні експериментальні результати з обґрунтування моделей отримані при обмежених варіантах напружено-деформованих станів і мають в основному технологічний характер. Крім цього, всі запропоновані моделі незворотного деформування пористих середовищ мають узагальнений характер, претендуючи на всеохоплюючий опис і не враховують ступінь зв'язаності структурних елементів (часток порошку) та особливості фізико-механічних характеристик металевих порошків.

У ситуації, що склалася, накопичення експериментальних даних про поведінку пористих матеріалів в умовах складного навантаження є актуальною задачею. Аналіз відомих експериментальних досліджень показує, що їх умовно можна розбити на два напрямки. Для першого характерні питання, пов'язані з дослідженням впливу пористості на фізико-механічні властивості матеріалів. Другий напрямок експериментальних досліджень основну увагу приділяє питанням обґрунтування моделей незворотного деформування та теорії консолідації порошкових та пористих матеріалів. Він представлений багаточисельними результатами технологічного спрямування. Експериментальні дані про вплив виду напруженого стану, історії навантаження на незворотні деформації та фізико-механічні характеристики пористих металів висвітлені в літературі недостатньо. Основна причина цього становища - відсутність необхідного обладнання та методики дослідження при складному навантаженні порошкових та пористих матеріалів. Можна припустити, що правильно поставлений експеримент дозволить оцінити адекватність запропонованих моделей та допоможе створенню теоретичних основ технології обробки порошкових та пористих матеріалів.

Другий розділ присвячено опису експериментального устаткування і методики дослідження деформаційних характеристик порошкових та пористих металів в умовах складного навантаження.

Проаналізовані конструкції різних типів дослідних машин, за допомогою яких визначаються механічні властивості матеріалів. Визначено, що найбільш повно досліджувати поведінку матеріалів при складному напруженому стані можливо на установках, в яких одночасно і незалежно змінюються три параметри навантаження: тиск, осьове навантаження і крутний момент.

Розроблено дослідницький програмно-модульний комплекс для деформування пористих матеріалів в умовах складного навантаження.

Модуль, основою якого є стандартна машина ИР-5047-50, призначений для випробування суцільних і трубчастих зразків внутрішнім тиском, осьовою силою та крутним моментом. Для вивчення питань, пов'язаних з визначенням впливу гідростатичного тиску на пластичну деформацію спечених пористих металів та незворотну деформацію металевих порошків, використовується модуль, що дозволяє проводити випробування в умовах гідростатичного тиску. Основним вузлом цього модуля є камера високого тиску.

Оригінальність конструкції камери полягає в тому, що в ній можливо навантаження трубчастих зразків зовнішнім і внутрішнім гідростатичним тиском різного рівня. Для створення різниці між внутрішнім та зовнішнім тиском передбачено дві автономні магістралі високого тиску. Крім того, її конструкція дозволяє використовувати як суцільні, так і трубчасті зразки, змінюючи при цьому три незалежних параметри: тиск, осьове навантаження і крутний момент. В порожнині камери розміщується дослідний зразок 5, який закріпляється у захватах 4,6. Конструкція захватів для розтягу, кручення дозволяє надати зразку точну орієнтацію відносно осі і виключити позацентровий згин. Верхній захват виконано разом з динамометричною головкою 3, яка вимірює осьове зусилля та крутний момент безпосередньо в камері, що виключає вплив тертя у місці ущільнення на силові показники. Нижній захват 6 входить у зачеплення з грибковим елементом 7, який з'єднується з валом черв'ячного колеса 9. Крутний момент на зразку створюється за допомогою черв'ячної пари 9,10. Ущільнення камери високого тиску здійснюється за допомогою ущільнюючих елементів 14, 15 оригінальної конструкції, які працюють за принципом некомпенсованої площі.

Реєстрацію деформаційних та силових параметрів здійснювали тензометрами і динамометрами спеціальних конструкцій, які за допомогою тензометричної станції СИИТ-2 та персональних комп'ютерів, об'єднаних у локальну сітку, дозволяють проводити аналіз інформації та вносити корекцію у програми навантаження в режимі реального часу.

З метою систематизації отриманих результатів використовували розширене поняття історії навантаження з урахуванням гідростатичної складової тензора напружень. Подібне розширене поняття історії навантаження широко використовується в механіці ґрунтів, сипких матеріалів, гірських порід.

Аналогічно до компактних матеріалів вводиться поняття пропорційного та непропорційного навантаження.

Перші розраховувалися так, щоб характеристика вигляду напруженого стану

(1)

та вигляду девіатора

(2)

залишалися постійними у межах кожної програми.

Непропорційне навантаження реалізовувалося за такими трьома схемами:

- Перша схема, при якій тиск рідини в камері високого тиску підтримувався постійним протягом всього шляху навантаження;

- Друга схема, коли в процесі навантаження підтримувалося постій-ним середнє напруження а змінювалася тільки інтенсивність напруження;

- Третя схема, коли змінювалася тільки інтенсивність напруження, а середнє напруження залишалося постійним.

Напруження визначали з урахуванням об'ємних змін, що відбуваються у дослідних зразках під час деформування.

Зв'язок між силовими параметрами , та при реалізації шляхів простого та складного навантаження задається у вигляді :

(3)

де , , - відповідно осьова сила, крутний момент і тиск, що діють на зразок; , - початковий діаметр та товщина стінки трубчастого зразку.

Вивчення властивостей у пористих спечених металевих матеріалах при розтягу та крученні проводили за допомогою циліндричних суцільних та трубчастих зразків. При лінійному та об'ємному стисканню використовувалися короткі циліндричні зразки із співвідношенням . Вивчення властивостей порошкових металевих матеріалів при всіх схемах навантаження проводили у жорстких матрицях та спеціальній еластичній обоймі, яка дозволяє контролювати всі деформаційні параметри і, у випадку випробування під гідростатичним тиском, запобігає проникненню робочої рідини у пори зразків.

Обробка експериментальних результатів проводилася з використанням методів математичної статистики з надійністю 0,95. Об'єктом дослідження були неспечені та спечені зразки металевих порошків заліза ПЖР-3.315, сталі ШХ15, фериту Fe₂O₃/SrCO₃, міді ПМС-1, латуні ПЛ-80, та інші.

У третьому розділі висвітлені результати експериментального дослідження особливостей деформування порошкових та пористих матеріалів при складному навантаженні.

Для більшості конструкційних матеріалів характерною ознакою є здатність до зміцнення під час деформування, яка виступає у вигляді узагальнених кривих плинності і відображається у координатах інтенсивність напружень - інтенсивність деформацій (інтенсивність швидкостей деформацій ) ступеневою залежністю:

, (4)

де m - параметр зміцнення, A- параметр апроксимації.

Для матеріалів із визначеною дефектністю структури (чавуни, гірські породи) та з анізотропією властивостей (слоїсті композити …) спостерігається відхилення від гіпотези єдиної кривої.

Пористі метали та порошкові матеріали порівняно із компактними володіють такими яскраво вираженими властивостями, як об'ємна стисливість, залежність деформаційних характеристик від гідростатичного тиску, різна деформованість при одновісному розтягу та стисканню. Тому для визначених матеріалів є сумнівним існування узагальненої функції зміцнення , яка не залежить від напруженого стану.

Встановлено, що зміна параметру зміцнення m та параметру A має нелінійний характер і визначається історією навантаження, видом напруженого стану та вихідною пористістю. У випадку пропорційного навантаження збільшення відносного середнього напруження при зростанні по модулю параметра призводить до збільшення параметра m. Зростання параметру m свідчить про те, що опір деформуванню знижується і це зниження тим більше, чим більше вихідна пористість. У випадку випробування зразків при постійному бічному тиску (q=const) зміна параметрів m та A має екстремальний характер. При малих значеннях бокового тиску q опір деформуванню зменшується і параметри m та A збільшуються. Подальше зростання бокового тиску сприяє більш інтенсивному зміцненню, а параметри m та A зменшуються.

Аномальну поведінку параметрів зміцнення та інших механічних характеристик пористих матеріалів можна пояснити тільки особливостями його будови. Пористе тіло є статистичною сумішшю речовини та пустоти.

При навантаженні помірним гідростатичним тиском відбувається квазіізостатичне зменшення пор без зміщення матричного матеріалу у пори. Накладання осьової сили на зразок не призводить до того, що в тілі виникають зсувні напруження. Параметри m та A збільшуються.

При навантаженні пористого тіла великим гідростатичним тиском через неправильну форму пор та нерівномірності їх розмірів і розташування по об'єму тіла існує локальний неоднорідний напружений стан. У цьому випадку, накладання осьової сили на зразок призводить до того, що в тілі виникають зсувні напруження. Це, в свою чергу, сприяє локалізації пластичної деформації у мікрооб'ємах та веде до заліковування пор. Спільна дія гідростатичного тиску та напружень зсуву сприяє більш інтенсивному переміщенню матричного матеріалу у пори. Опір деформуванню падає. Параметр m та A зменшуються.

Правомірність цієї моделі деформування підтверджується результатами робіт В.В.Скорохода, О.В.Романа, Г.Р.Фрідмана, В.З.Мідукова, які відмітили, що при дослідженні таких контрольованих параметрів як швидкість ультразвуку, електроопір, ефект дилатансії існує подібний аномальний характер їх поведінки залежно від тиску пресування чи навантаження.

Аналогічні закономірності спостерігаються більшою чи меншою мірою і для неспечених порошкових брикетів.

У загальному випадку, криві деформування для неспечених зразків із порошків міді ПМС-1, латуні ПЛ80, заліза ПЖР 3.315 та сталі ШХ15, що отримані із шламових відходів ВАТ ЛПЗ, апроксимуються залежністю (4), але розбіжність апроксимуючих коефіцієнтів m та A значно більше. Крім того, не спостерігається будь-якої загальної закономірності зміни цих параметрів для різних матеріалів. Це, на нашу думку, пояснюється фізико-механічними властивостями порошків, а саме - гранулометричним складом, формою часток та їх зв'язаністю. Розміри часток та їх форма є визначальними факторами, що впливають у цьому випадку на стан між-часткових контактів, на локальний характер напружень та закономірності руйнування.

Підтвердженням цієї тези є закономірність зміни об'єму неспечених пористих зразків для різних металевих порошків. Результати отримані в дослідах тільки на стискання пористих неспечених зразків (µ_у=1). Відмічено, що вид напруженого стану суттєво впливає на закономірність зміни об'єму. Для порошків заліза ПЖР 3.315 та сталі ШХ15 при всіх траєкторіях навантаження відбувається ущільнення матеріалу.

Для нерівновісного стискання найбільш інтенсивно відбувається ущільнення при навантаженні по променю =-1, який характеризується найбільшою величиною відносних зсувних напружень. Найменша інтенсивність зміни об'єму спостерігається при навантаженні по променю =-10 який, в свою чергу, відрізняється тим, що гідростатична складова тензора напружень для нього найбільша. Для порошків латуні ПЛ80 спостерігається дещо відмінна картина. При траєкторії = -1 незалежно від початкової пористості зразка спостерігається розрихлення матеріалу до моменту його руйнування. Порошки латуні отримані методом розпилення. Вони мають більш регулярну кулеподібну форму і використовувалися в стані постачання, тобто уже більшою чи меншою мірою зміцнені.

Таким чином, експериментальні результати свідчать про відсутність гіпотези єдиної кривої в координатах для металевих порошків та спечених пористих матеріалів.

Виходячи з цього, закон зміцнення пористих матеріалів рядом авторів задається як функція текучого значення пористості та накопичених пластичних деформацій. Криві деформування представляють у формі зв'язку між еквівалентними напруженнями та еквівалентними деформаціями

; ,(5)

або у вигляді представлення про середньоквадратичні деформації та напруження. При цьому припускається, що криві деформування інваріантні як до виду напруженого стану, так і до величини пористості.

Перевірка цього положення проводилася на зразках спеченої пористої міді з різним рівнем початкової пористості , які деформувалися по програмах пропорційного навантаження. Аналіз дослідних даних виконували шляхом співставлення кривих деформування по відповідній програмі з кривою зміцнення для компактної міді при одновісному стисканні компактної міді. Як міра розсіювання була використана величина:

, (6)

де - величина еквівалентного напруження пористого матеріалу за відповідною гіпотезою пластичності; - еквівалентне напруження для компактної міді при одному і тому ж рівні еквівалентної пластичної деформації.

Експериментальні результати показали, що незалежно від моделі пластичності пористого матеріалу загальним є те, що вигляд кривих деформування залежить від параметру. Найбільший опір деформуванню спостерігається для шляхів = -10 і найменший - по променю = -1. Найзначніше розсіювання кривих спостерігається для траєкторій навантаження близьких до = -2,5. На величину розбіжності кривих впливає і величина початкової пористості: чим більша пористість, тим більша розбіжність кривих. Незалежно від початкової пористості та траєкторії навантаження криві деформування пористого матеріалу розташовуються нижче кривої зміцнення компактної міді.

У рамках деформаційної теорії пластичності В.З.Мідуков, Г.А.Дощинський запропоновали для матеріалів, чутливих до об'ємної зміни, зміцнення описувати у вигляді тензорно-лінійного зв'язку між векторами напружень і деформацій. Перевірка правомірності такого підходу до пористих спечених і неспечених зразків латуні ПЛ80, заліза ПЖР 3.313, сталі ШХ15, міді ПМС-1 показала велику розбіжність кривих деформування у вказаних координатах. Вигляд кривих визначається програмою навантаження та величиною пористості.

Таким чином, гіпотеза єдиної кривої деформування пористих та порошкових матеріалів у координатах, що застосовуються в експериментальній та технологічній практиці, не виконується.

Враховуючи цей факт, при визначенні форми поверхні і її трансформації наочний аналіз проводили у суміщених координатах тривимірних просторів головних напруг і деформацій. Розглядаючи головні напруги як координати вектора напруг , характеризуватимемо величину навантаження модулем цього вектора

,(7)

а його спрямованість у системі координат -- визначить вид напруженого стану.

Виходячи з того, що пропорційне навантаження супроводжується пропорційним деформуванням та приймаючи припущення про збіг головних напрямів тензорів напруг і деформацій, про подібність їх девіаторів (останнє характеризується рівністю параметрів Лоде=) і враховуючи, що навантаження здійснювалося без повороту головних осей тензора напруг, величину узагальненої деформації характеризували модулем вектора деформацій

.(8)

За прийнятою величиною та кривими деформування у координатах -побудовані поверхні навантаження для пористих спечених та порошкових металів. Форма поверхні в осях гідростатичний тиск - інтенсивність напружень для спечених пористих металів описується еліпсом, зміщеним вздовж гідростатичної осі у бік стискаючих напружень.

При дослідженні виду поверхні навантаження пористих неспечених матеріалів на прикладі металевих порошків сталі ШХ15, міді ПМС-1, латуні ПЛ 80 та інших виходили з того безперечного факту, що порошкові матеріали мають “нульовий” опір при навантаженні розтягуючими зусиллями. Багаточисельні експериментальні та теоретичні дослідження структурно-неоднорідних матеріалів типу скельних порід, пісків та ґрунтів показали, що поверхня навантаження таких матеріалів з достатньою для практики точністю описується моделлю Cam - Clay.

В обраній системі координат у загальному плані рівняння поверхні навантаження моделі Cam - Clay представлено еліпсом у вигляді:

,(9)

де - величини напівосей еліпса уздовж осі та відповідно і вони пов'язані зі структурними характеристиками матеріалу.

При експериментальному визначенні моделі значення знаходили із базових експериментів:

а) - при гідростатичному навантаженні, коли ().

,(10)

де - величина середнього напруження при заданому значенні необоротної деформації або при заданому значенні густини матеріалу .

б) - при навантаженні по траєкторії пропорційного навантаження (будь-який промінь при ).

,(11)

де - величина середнього напруження та інтенсивності напружень відповідно при навантаженні по заданому промені.

Виразивши інтенсивність напружень через параметр жорсткості навантаження , кут нахилу променя навантаження по відношенню до гідростатичної осі визначиться виразом:

,(12)

а рівняння поверхні навантаження (9) набуває вигляду:

.(13)

З використанням рівнянь (12), (13) побудовані теоретичні контури навантажень для порошків сталі ШХ15, міді ПМС -1, латуні ПЛ80. На рисунках 5-7 наведені результати, для яких як необоротну деформацію використовували величину при її фіксованому значенні = 0,05.

За базові досліди обиралися гідростатичне навантаження =- та = - 2,9. Реалізувати шляхи суто пропорційного навантаження по променях = -1-=-2,0 для всіх дослідних порошків не можливо. Це обумовлено тим, що при цих траєкторіях іде чисте осьове осаджування порошку без бокового підпору. Зразки не тримають форму. При складних траєкторіях, коли на першому етапі формування відбувалося за рахунок незначного гідростатичного тиску (), реалізовані пропорційні траєкторії у всьому діапазоні. Аналіз поверхонь навантажень показує, що вони з достатньою для практики точністю можуть бути представлені модифікованою моделлю Cam - Clay. При траєкторіях навантаження близьких до “м'яких” схем деформування (= - 2,9-= -) відхилення розрахункових та експериментальних значень незначне. При “жорстких” схемах контур поверхні навантаження значно відхиляється від еліпсоїдального особливо для пропорційних шляхів без попередньої підпресовки гідростатичним тиском. Але на відміну від моделі Cam - Clаy встановлено, що екстремум поверхні навантаження у площині “гідростатичний тиск - інтенсивність дотичних напружень” може бути суттєво зсунутим в напрямку всебічного стиснення, при цьому зсув екстремуму більш істотний для порошків, що містять важкодеформівні компоненти (порошки сталі ШХ15). Вигляд її наближається до каплеподібної.

Конкретний вид поверхні навантаження визначається як фізико-механічними характеристиками порошків (ШХ15, латунь ПЛ80), так і історією навантаження.

У четвертому розділі розроблені імітаційні моделі випадкової упаковки часток при їх засипці у прес-форми.

Першим технологічним прийомом при пресуванні заготовок є засипка порошку в прес-форму. Від вдало організованого процесу засипки залежать в подальшому кінцеві властивості виробів. У роботі було реалізовано модель пакування моно- та полідисперсних часток. При програмній реалізації моделі частки представлено координатою центру, радіусом та рівняннями, що описують коло. Таке представлення дає змогу моделювати моно-, бінарне, а також полідисперсне пакування часток з довільною закономірністю їх розподілу. За основу розробки служила модель Скорохода-Картузова. У цій моделі параметром регулювання пористості служить кут зчеплення часток, що є інтегральною характеристикою властивостей часток, які складають насипку. При цьому властивості окремих часток не розглядаються. На відміну від згаданої моделі запропоновано вводити індивідуальну характеристику частки. Цією характеристикою є також кут зчеплення часток - кут між вертикаллю і прямою, що з'єднує центри часток. Проте, на відміну від моделі Скорохода-Картузова, при моделюванні конкретного матеріалу розглядаються топологічні характеристики часток, які впливають на фактор форми. Матеріал відноситься до однієї з груп, де може змінюватися у межах 0-30 градусів (частки, форма яких близька до ідеально круглої), 30-60 градусів (частки, форма яких відхиляється від ідеальної у межах 50 %), 60-90 градусів (частки, форма яких значно відхиляється від ідеальної). Числова реалізація моделі підтвердила правомірність такого підходу.

У таблиці 1 наведені модельні залежності насипної пористості порошків від кута зчеплення часток, який повністю відповідає натурним експериментальним даним, що отримані Шелегом В.Г., Капцевичем В.М. зі співробітниками про залежність насипної пористості від їх фактора форми FF.

Таблиця 1 Взаємозв'язок кута з фактором форми реальних порошків

Експериментальні дані (Шелег-Капцевич)	Модельні значення
Матеріал	Розмір часток, мм	Фактор форми FF	Насипна пористість	Кут , град	Насипна пористість
ВТ-9	0,2-0,16	1	0,38	0-9	0,37
БР ОФ 10-1	0,2-0,16	0,9	0,37	10-18	0,37
Х18Н10	0,2-0,16	0,82	0,45	19-27	0,46
БР ОФ 10-1	0,2-0,16	0,65	0,62	37-45	0,62
Х18Н15	0,2-0,16	0,63	0,68	37-45	0,68
ПТЭ	0,2-0,16	0,4	0,67	55-63	0,68
ПМС	0,2-0,16	0,26	0,73	73-81	0,71

Таким чином, кут розглядається як індивідуальний фактор форми конкретної частки, який лежить у межах, обумовлених аутогезійними характеристиками модельованого матеріалу.

Виконано моделювання засипок моно- та полідисперсних часток зі змінним їх процентним вмістом у бункери з метою дослідження розподілу пористості по висоті і ширині при різних співвідношеннях розмірів бункера. Підтверджено, що пористість насипки у бункер розподіляється нерівномірно. При цьому, чим більше ширина зразка, тим більш рівномірний розподіл пористості по його діаметру.

Крім того, проводили співставлення результатів обчислюваного та натурного експерименту. Для проведення натурного експерименту були використані залізні порошки ПЖР 3.4, які виготовляються методом розпилення Броварським заводом порошкової металургії. Частки порошку мають кулеподібну форму. Порошок в стані постачання піддавали попередньому розсіюванню для виділення двох фракцій: 0,063 та 0,2 мм (співвідношення діаметрів часток - 0,315). Після цього з них виготовляли зразки з різним співвідношенням фракцій. Пресування зразків здійснювали таким чином, щоб вони мали незалежно від фракційного складу постійну висоту та масу.

Порівнюючи отримані результати з даними модельного експерименту, слід відмітити задовільне якісне співпадання закономірності розподілу пористості для бінарних сумішей.

З метою наближення модельних припущень до реальних властивостей матеріалів форма часток представлялася у вигляді еліпсів та сфероциліндрів.

Реальні процеси засипки порошків супроводжуються багато- чисельними дефектами: арочними ефектами, нерівномірним розподілом пористості, крайовими умовами. Використання вібраційного поля дозволяє зменшити рівень дефектності. У роботі вперше розроблено комп'ютерно-імітаційну модель пакування часток з використанням горизонтальних, вертикальних та комбінованих коливань часток при різних технологічних схемах. Передбачено незалежне нормування амплітуди А та частоти w як горизонтальних, так і вертикальних коливань, що дає змогу реалізувати любу просторову форму коливань.

За допомогою розроблених моделей досліджено вплив на розподіл пористості та координаційного числа геометричних параметрів пресового оснащення (геометрична форма матриці, розміри бункера), залежність пористості від процентного вмісту часток різних діаметрів (гранулометричний склад), геометричних параметрів часток (фактор форми), технологічних режимів засипки (амплітуда, частота) та історії реалізації технологічного процесу (послідовність зміни у часі технологічних параметрів - статичного навантаження, осьових, горизонтальних та просторових коливань).

Контрольованим параметром виступала пористість засипки. При реалізації дослідів частота w =1 /сек, амплітуда горизонтальних коливань А_г= 4 піксел, амплітуда вертикальних коливань становила А_в= 2 піксел.

Результати показують, що процес ущільнення залежить від значної кількості технологічних факторів і, не в останню чергу, від послідовності виконання технологічних операцій (від історії здійснення технології). Оптимальним варіантом є технологічна схема номер п'ять, яка реалізується при суміщенні вільної засипки з горизонтальними та вертикальними коливаннями. Якість засипки підвищується. Пористість монодисперсної засипки зменшилася на 25 відсотків, а для полідисперсної суміші (партія 1) пористість зменшилися більш ніж у три рази. При реалізації четвертої технологічної схеми пористість засипки, порівняно з варіантом накладання горизонтальних коливань, дещо збільшилася. Це пояснюється тим фактом, що при певній величині амплітуди вертикальних коливань спостерігається відрив окремих часток від загальної маси часток. Тобто, утворюється явище „киплячого шару.” Верифікація отриманих моделей проводилася за допомогою натурних експериментів і підтвердила їх надійність та достовірність.