Удосконалення технології виготовлення мідних виробів з волокнового матеріалу методами обробки тиском

Размещено на http://www.allbest.ru/

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

Спеціальність 05.03.05 - Процеси та машини обробки тиском

УДК 621.762.4

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ

МІДНИХ ВИРОБІВ З ВОЛОКНОВОГО МАТЕРІАЛУ

МЕТОДАМИ ОБРОБКИ ТИСКОМ

СКЛЯР ОЛЕКСАНДР

ПАВЛОВИЧ

Луганськ-2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Рябічева Людмила Олександрівна,

Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля (м. Луганськ), завідувач кафедри "Прикладне матеріалознавство".

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Сивак Іван Онуфрійович, Вінницький національний технічний університет (м. Вінниця), завідувач кафедри "Технологія та автоматизація машинобудування";

кандидат технічних наук, доцент Подлєсний Сергій Володимирович Донбаська державна машинобудівна академія (м. Краматорськ), завідувач кафедри "Технічна механіка".

Захист відбудеться "5" червня 2009 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 29.051.02 при Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20-А.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20-А.

Автореферат розісланий "30" квітня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 29.051.02, д.т.н., професор Ю.І. Гутько

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Протягом багатьох десятиліть в Україні переробка промислових ресурсів супроводжувалася утворенням і нагромадженням техногенних відходів. У загальному об'ємі відходів брухту міді 41,5% складають провідники струму. Такий брухт містить мідь марки не нижче М1 за ГОСТ 859-78 і забруднений ізоляцією, маслами та іншими домішками різного походження. Традиційний метод рециклінга цих відходів - плавильний переділ, що включає операції пакетування брухту, плавки в індукційних, відбивних чи шахтних печах, відливки анодів чорнової міді (вміст міді 98,5%), електролітичного рафінування, переплавлення катодів у злитки міді за ГОСТ 193-79, що застосовуються для виготовлення дроту, шин, прутків та інших видів прокату електротехнічного призначення. Процес тривалий, енергоємний, що характеризується великими втратами металу при транспортуванні, на вигар при плавці та інших операціях переробки.

Недоліки традиційної технології цілком усуваються чи зводяться до мінімуму при переробці брухту з використанням операцій обробки тиском. На відміну від металургійного виробництва, рентабельного при великій виробничій потужності, методами обробки тиском вироби з брухту можна отримувати на невеликих за об'ємом підприємствах. Це дозволяє максимально наблизити підприємство з переробки відходів до місця їхнього утворення та усунути транспортні втрати. При переробці металевих відходів методами обробки тиском скорочується число операцій, знижуються витрати енергії.

Відомості про технологічні процеси переробки відходів методами обробки тиском обмежені і присвячені, головним чином, переробці стружки. Інформація про технологію одержання з брухту провідників струму виробів методами обробки тиском, що виключає операції переплаву й рафінування, відсутня. При цьому виникають питання попереднього очищення брухту мідних провідників струму від ізоляції й домішок, а також підвищення його технологічних властивостей, які ще не вирішені.

У зв'язку з викладеним вище, створення ефективної технології, що забезпечує одержання обробкою тиском мідних виробів із відходів провідників струму з властивостями, що відповідають властивостям міді, отриманої деформуванням литих заготовок, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до наукового напрямку кафедри прикладного матеріалознавства Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля "Створення нових порошкових матеріалів і виробів із них" і держбюджетними темами "Теоретичні дослідження наукових основ створення композиційних матеріалів зі спеціальними властивостями", розділ "Наукові основи створення матеріалів зі спеціальними властивостями" № держреєстрації 0100U006291 і "Розробка наукових основ формування стрижневих виробів на основі армованих порошкових композиційних матеріалів", розділ "Створення фізико-механічної теорії теплого деформування порошкових матеріалів", № держреєстрації 0103U000424, у яких здобувач брав участь як виконавець.

Мета та задачі дослідження. Визначення умов пластичного деформування волокнових матеріалів, отриманих з відходів мідних провідників струму, і створення технології виготовлення мідних виробів методами обробки тиском з властивостями не нижче, ніж властивості литої та деформованої міді.

Для досягнення зазначеної мети у роботі поставлені наступні задачі:

- виконати дослідження впливу параметрів відпалу відходів мідних провідників струму у водньомісткому середовищі на технологічні властивості волокон, отриманих з цих відходів;

- установити закономірності холодного пресування волокон великих розмірів і дати теоретичне обґрунтування отриманим закономірностям;

- установити закономірності гарячого штампування й прямого видавлювання волокнової пористої пресовки; оцінити вплив параметрів гарячого штампування на структуру й механічні властивості; оцінити вплив параметрів гарячого прямого видавлювання на якість деформованого виробу, структуру і механічні властивості; вибрати оптимальні параметри технологічного процесу, що забезпечать одержання міді марки М1 (ГОСТ 859-78) і мідних виробів;

- виконати аналіз напружено-деформованого стану, розподілу щільності і температури при гарячому прямому видавлюванні волокнової пористої пресовки; розробити форму й визначити розміри вихідної пресовки; оцінити вплив параметрів прямого видавлювання на процес консолідації волокнової пресовки;

- на підставі виконаних досліджень розробити й впровадити технологію виготовлення виробів із волокнової шихти, отриманої з брухту мідних провідників струму, використовуючи операції обробки тиском.

Об'єкт дослідження: технологічні процеси обробки тиском пористих заготовок, отриманих пресуванням волокон міді, при різних температурах і схемах деформування.

Предмет дослідження: закономірності пластичного плину пористих волокнових пресовок при різних схемах деформування, фізико-механічні властивості.

Методи дослідження: визначення технологічних параметрів пластичного плину пористих волокнових заготовок виконували на основі експериментального дослідження гарячого штампування й гарячого прямого видавлювання; експериментальне дослідження технологічних і механічних властивостей волокон і зразків, структури міді проводили із застосуванням стандартних методик. Для оцінки напружено-деформованого стану, розподілу температури та щільності при прямому видавлюванні використаний метод кінцевих елементів і програма-розв'язувач LS-DYNA 971. Статистичну обробку результатів експериментів та перевірку адекватності результатів моделювання експериментальним даним здійснювали за допомогою методу найменших квадратів, стандартних програмних пакетів "Mathematіca 5.0" і "STATІSTІCA".

Наукова новизна роботи. Наукову новизну мають такі результати та положення:

- вперше експериментально встановлено механізм деформування та ущільнення шихти, що складається з волокон великих діаметрів, при холодному пресуванні заготовок, який полягає в осадці, протягуванні, видавлюванні в міжволокновий простір, руйнуванні волокон і забезпечує високу щільність заготовок;

- вперше експериментально встановлено вплив вихідної щільності, температури нагрівання, тиску штампування, ступеня радіальної деформації на щільність і механічні властивості при гарячому штампуванні волокнових пористих заготовок; показано, що гаряче штампування не забезпечує повну консолідацію волокон;

- вперше експериментально встановлено вплив коефіцієнта витяжки при гарячому прямому видавлюванні волокнових пористих заготовок на процес деформування, ущільнення і консолідацію волокон. Визначено коефіцієнт витяжки, що забезпечує одержання безпористої міді з механічними властивостями, відповідними стандарту;

- одержала подальший розвиток теорія напружено-деформованого стану при гарячому прямому видавлюванні волокнових пресовок, на основі якої встановлено, що високий гідростатичний тиск забезпечує повну консолідацію волокон, за рахунок чого отримано компактний мідний матеріал, що має величину дотичного напруження, яка перевищує критичне напруження зрушення. Визначено залежності дефектів при видавлюванні (розмірів утяжини і розпушення) від умов деформування;

- встановлено ресурс пластичності волокнового матеріалу при коефіцієнті витяжки 16,8, що забезпечує одержання безпористого мідного матеріалу. Показано, що при отриманому коефіцієнті витяжки відбувається вичерпання більшої частини ресурса пластичності волокнового матеріалу.

Практичне значення отриманих результатів. Практичне значення мають такі основні результати роботи:

- технологія переробки брухту мідних провідників струму обробкою тиском у напівфабрикати й вироби;

- методика розрахунку технології виготовлення мідних прутків і трубок;

- методика розрахунку розмірів волокнової пористої заготовки, що забезпечує одержання прутка без утяжини;

- залежності для розрахунку сили прямого видавлювання прутків;

- розроблені робочі креслення оснащення для прямого видавлювання прутка та трубки з отвором малого діаметра.

Новизна запропонованих способів і пристроїв підтверджена патентами України.

Запропоновані технології, залежності для розрахунку, робочі креслення оснащення для прямого видавлювання прутка та трубки з отвором малого діаметру використані для виготовлення партії виробів: прутка й наконечника для зварювання металів у середовищі вуглекислого газу. Дослідні зразки кінцевиків пройшли успішні випробування на ВАТ ХК "Луганськтепловоз", ТОВ "Теко". Очікуваний економічний ефект від впровадження технології виготовлення деталі «кінцевик» з волокнової міді складає 213120 грн.

Основні результати роботи використовуються в навчальному процесі при викладанні дисциплін спеціальності "Композиційні та порошкові матеріали, покриття".

Особистий внесок здобувача. Розроблено методику проведення експериментальних досліджень, спроектоване оснащення. Виконано експериментальні дослідження операцій обробки тиском і статистична обробка результатів. Проведено комп'ютерне моделювання прямого видавлювання та виконаний аналіз результатів. Розроблено технологічні процеси виготовлення виробів з волокнового мідного матеріалу та методика розрахунку.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати досліджень повідомлені та обговорені на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (2006-2008, м. Луганськ, Україна); Бернштейновських читаннях з термомеханічної обробки металевих матеріалів (2006, МІСІС, Москва, Росія); на міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні методи моделювання процесів обробки матеріалів тиском" (2006, м. Краматорськ, Донецька обл., Україна); на міжнародній науково-технічній конференції "Фізико-механічні проблеми формування структури і властивостей матеріалів методами обробки тиском" (2007, м. Краматорськ, Донецька обл., Україна); на другій міжнародній науково-технічній конференції «Деформація та руйнування матеріалів і наноматеріалів» (2007, м. Москва); на міжнародній науково-технічній конференції "Інформаційні технології в обробці тиском" (2008, м. Краматорськ, Донецька обл., Україна); на об'єднаному науковому семінарі кафедри "Обладнання для обробки металів тиском і зварювання" Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.

Публікації. Основні результати виконаних досліджень опубліковані у 9 друкованих працях, з них 7 у виданнях, рекомендованих ВАК України, і 4 патентах.

Структура й обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків і додатків. Загальний обсяг роботи 176 сторінок машинописного тексту, у тому числі основного тексту 121 сторінка, 75 рисунків, 19 таблиць, 4 додатки, список використаних джерел з 137 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступу дана загальна характеристика роботи, обґрунтована актуальність теми, визначені мета та задачі досліджень, наукова новизна й практична цінність отриманих результатів, а також особистий внесок здобувача, результати апробації й впровадження, публікації.

У першому розділі розглянуто стан питання з удосконалення технологій одержання безпористих матеріалів методами обробки тиском; приведена характеристика властивостей та способів переробки брухту мідних провідників струму; виконано аналіз пресування волокнових матеріалів і методів одержання матеріалів і виробів високої щільності деформуванням пористих заготовок; розглянуто вплив технологічних чинників на структуру й властивості матеріала, отриманого гарячим деформуванням. Вагомий внесок у цю галузь досліджень зробили І.С. Алієв, Ю.А. Алюшин, Г.А. Баглюк, М.Ю. Бальшин, Я.Ю. Бейгельзимер, Ю.П. Глєбов, Г.Д. Дель, В.І. Дорошко, Ю.Г. Дорофеєв, В.О. Євстратов, В.Л. Калюжний, А.А. Костава, В.Л. Колмогоров, А.Г. Косторнов, А.Г. Овчинніков, В.А. Огородніков, Є.О. Попов, І.Л. Перлин, І.Д. Радомисельский, І.П. Рене, В.Д. Рудь, І.О. Сивак, М.В. Сторожев, В.З. Спусканюк, М.Б. Штерн, В.М. Щерба, С.П. Яковлев, Р.Дж. Грін, У. Джонсон та інші.

Аналіз технологій переробки відходів у безпористі матеріали дозволив установити, що традиційні методи переробки складні, недостатньо ефективні й енергоємні. Тому перспективним є створення високоефективної технології переробки брухту міді у вигляді провідників струму в напівфабрикати та вироби методами обробки тиском.

На основі виконаного аналізу пресування волокнових матеріалів і методів одержання матеріалів та виробів високої щільності деформуванням пористих заготовок встановлені можливості застосування методів обробки тиску для одержання безпористих матеріалів з високими механічними властивостями.

У другому розділі виконано вибір напрямку й методів досліджень технології одержання компактного матеріалу з волокон міді. Як вихідний матеріал застосовано відходи мідних провідників струму марки М1, з яких відпалом, дробленням і подрібненням отримані волокна різного діаметра та довжини. З цих волокон складена вихідна волокнова шихта. Розглянуто методику проведення експерименту, що включає дослідження технологічних властивостей волокнової шихти, холодного пресування, гарячого штампування або гарячого прямого видавлювання. Для теоретичних досліджень прямого видавлювання обраний метод кінцевих елементів (МКЕ) і программа-розв'язувач LS-DYNA 971. Приведено методи дослідження структури та фізико-механічних властивостей матеріалу, а також метод статистичної обробки експериментальних даних.

У третьому розділі представлено експериментальне дослідження процесів одержання компактної міді з волокон методами обробки тиском. Досліджено технологічні властивості волокнової шихти, отриманої з відходів мідних провідників струму. Розроблено режим відпалу для переведення міді в крихкий стан, що дозволяє одержати з брухту мідних провідників струму волокна механічним подрібненням у дробильному обладнанні. Температура відпалу 850°С, витримка 1 г. Досліджено технологічні властивості волокнової шихти: насипна щільність, щільність утряски, ущільненість, формуємість, що достатні для обробки тиском.

Розглянуто процес холодного пресування волокнової шихти, яка складається з волокон різних розмірів. Встановлено механізм деформації при холодному пресуванні шихти, що полягає в осадці, протягуванні, видавлюванні в міжволокновий простір, руйнуванні волокон. У результаті таких видів деформації досягається щільність 8,67-8,75 г/см3. Ступінь деформації волокна при пресуванні впливає на величину зерна й мікротвердість. Встановлено величину тиску виштовхування волокнових пресовок з матриці. Дослідження на радіальний тиск показали, що міцність волокнових пресовок залежить від відносної довжини - геометричного параметра, що характеризує волокнову шихту ( - довжина й діаметр волокна відповідно) (рис. 1). З його збільшенням міцність знижується.

Міцність збільшується з ростом щільності й збільшенням вмісту в шихті волокон більшої довжини та знаходиться в межах 7-27 МПа. Оптимальним значенням міцності для подальшої обробки пресовок є величина, що лежить у інтервалі 15-27 МПа при 5,30.

Досліджено вплив параметрів гарячого штампування на фізико-механічні властивості мідних зразків. Встановлено, що щільність міді, отриманої гарячим штампуванням волокнових пресовок, залежить від вихідної щільності, температури нагрівання, тиску штампування, ступеня радіальної деформації. Проаналізовано залежність щільності зразків від ступеня деформації при гарячому штампуванні в закритій матриці. Точка на кривих відповідає граничному ступеню деформації при осадці, після досягнення якого на поверхні зразків з'являються окремі волокна й тріщини (рис. 2). Точка відповідає моменту торкання пресовки стінок матриці.

Визначено оптимальні режими гарячого штампування, що забезпечують одержання міді щільністю 8,90 г/см3: щільність вихідних заготовок 8,75 г/см3, тиск штампування 278 МПа, температура нагрівання 920°С. Досліджено випробуванням на розтяг механічні властивості отриманих мідних зразків щільністю 8,90 г/см3 як після штампування з радіальним ступенем деформації 0,72, так і після їх відпалу. Встановлено, що механічні властивості такої міді набагато нижче, ніж властивості міді, що одержують за традиційною технологією в зв'язку з тим, що в міді зберігаються вільні поверхні розділу, по яких цілком не пройшов процес консолідації волокон. Холодна деформація осадкою забезпечує повну консолідацію волокон. Після гарячого штампування волокнових пресовок, холодної деформації та відпалу границя міцності складає 218,7 МПа, умовна границя текучості 45,7 МПа, відносне подовження 37,5%, відносне звуження 40,5%, твердість 55-60 НВ, що відповідає ГОСТ 1535-91.

Виконано дослідження гарячого прямого видавлювання волокнових пресовок через матрицю, що має опукло-вгнуту твірну, при трьох коефіцієнтах витяжки 3,6; 7,3; 16,8. Деформований стан при видавлюванні досліджували методом координатних сіток. При коефіцієнті витяжки 16,8 отримана цілком консолідована структура з щільністю 8,87-8,91 г/см3 і механічними властивостями, що задовольняють ГОСТ 1535-91. Визначено міри боротьби з дефектами при прямому видавлюванні: розпушеностю з переднього торця заготовки та утяжини із заднього торця. Вирішено задачу вибору форми заготовки зі сферичним компенсатором. Запропоновано формули для розрахунку його розмірів. Висота сферичного компенсатора визначається за формулою:

,

його радіус:

де - висота конусної частини матриці; б - кут утворюючої робочої ділянки матриці; - коефіцієнт, що характеризує нерівномірність деформації 1,02-1,17; - радіус вихідної пресовки.

На рис. 3 приведено креслення та фото вихідної пресовки зі сферичним компенсатором. Технологія гарячого прямого видавлювання полягає в одержанні вихідної волокновой пресовки щільністю 8,62 г/см3 зі сферичним компенсатором з одного торця й сферичною порожниною таких же розмірів з іншого торця, нагріванні такої пресовки до температури 920°С в середовищі синтез-газу, видавлюванні при цій температурі з коефіцієнтом витяжки 16,8. Така технологія забезпечує одержання міді з властивостями, що відповідають вимогам стандарту на пруткову мідь.

У четвертому розділі представлено комп'ютерне моделювання прямого видавлювання волокнової пористої пресовки. Операція гарячого видавлювання зразка з волокновой пористої пресовки представлена нестаціонарним неізотермічним процесом деформування в системі "пресовка-штамп". Для такого процесу вирішували нестаціонарну зв'язану задачу термопластичности для пресовки й нестаціонарну зв'язану задачу термопружності для матриці. Визначальними рівняннями моделі є рівняння рівноваги, що характеризують пружню рівновагу матриці й пластичну рівновагу точок пресовки, а також рівняння теплопровідності Фур'є для характеристики теплопередачі від пресовки до матриці. Використання МКЕ зводить рішення зв'язаної задачі термопластичності до одночасної мінімізації двох функціоналів, один із яких описує процеси формозміни, а другий - процеси теплопереносу.

Функціонал формозміни включає роботу внутрішніх і зовнішніх сил і має вигляд:

,

де - обсяг тіла, що деформується; - компоненти тензору напружень усередині елемента; - компоненти тензору швидкостей деформацій усередині елемента; - сила тертя на поверхні контакту; - швидкість переміщення металу на i-ой ділянці поверхні контакту; - площа поверхні контакту пресовки та інструмента.

Функціонал процесів теплопереносу включає нестаціонарне диференціальне рівняння теплопровідності, залежність теплового ефекту від інтенсивності напружень і швидкостей деформацій та від напружень і швидкості переміщення на контакті й має наступний вигляд:

де - сумарний коефіцієнт теплопровідності; - інтенсивність напружень; -інтенсивність швидкості деформації; - інтенсивність напружень на поверхнях контакту; - швидкість переміщення частинок металу по поверхні контакту; - температура.

Рівняння рівноваги й граничні умови відбивають локальні властивості середовища:

, , , на ,

де - інтенсивність напруження зсуву.

Варіаційний функціонал для сталої течії пористого тіла приймає вигляд:

де - інтенсивність швидкості деформації для пористого тіла, що ураховує зсувну та об`ємну деформацію; - границя текучості.

Мінімум (6) досягається для дійсного поля швидкостей . Вираження (6) показує, що завдання деформованого стану однозначно визначає й компоненти тензора напружень. Ця обставина забезпечує істотні переваги кінематичної постановки задач для стисливих пористих тіл.

Для в'язко-пластичного тіла, що стискається, в'язка і пластична течія існують незалежно друг від друга, а їхня спільна дія складається в підсумовуванні швидкостей деформації, що виникли в елементі пористого тіла під впливом однієї й тієї ж системи прикладених напружень:



Індекси і належать до в'язкій і пластичній складових. У зонах, де умова пластичності не виконується, течія є чисто в'язкою. Для них девіаторна й кульова складові тензора швидкостей деформації враховують коефіцієнти зсувної і об'ємної в'язкості, що є функціями пористості. В'язка течія супроводжується зміною пористості відповідно до кінематичного рівняння: пресування видавлювання волокновий пористий

і поточна пористість є функцією історії зміни гідростатичного тиску (де - кульовий тензор напружень; - термін деформації; - коефіцієнт об`ємної в`язкості).

У пластичних зонах для в'язких компонентів зберігаються рівняння:

,

пластичні компоненти мають вигляд:

де

- інтенсивність швидкостей пластичної деформації; - коефіцієнт зсувної в`язкості; - інтенсивність швидкостей деформації зсуву; - функції пористості.

Зв'язок між пластичними й в'язкими складовими швидкостей деформації:

.

Звідси для компонентів повної швидкості деформації отримано:

У результаті відповідних перетворень кінетичне рівняння зміни пористості має вигляд:

При розв'язанні задачі у варіаційній формі розглядалася історія навантаження кожного елемента і просліджувався перехід від в'язкої течії до в'язко-пластичної.

Виконано моделювання видавлювання пористої волокновой пресовки з плоским торцем. Досліджували розподіл інтенсивності напружень, гідростатичного тиску, інтенсивності деформацій, швидкості деформацій, температури й щільності в процесі видавлювання при коефіцієнтах витяжки 3,6, 7,3, 16,8. Отримано, що зі збільшенням коефіцієнта витяжки ростуть інтенсивність напружень, гідростатичний тиск, інтенсивності деформацій, швидкості деформацій. При коефіцієнте витяжки =16,8 гідростатичний тиск досягає 1380 МПа, а інтенсивність напружень незначна. Інтенсивності напружень при цьому коефіцієнті більші, ніж критичне зсувне напруження, що свідчить про повну консолідацію волокон і одержання компактного матеріалу з властивостями, що відповідають ГОСТ.

Вивчено еволюцію утяжини, що утворюється при видавлюванні в залежності від коефіцієнта витяжки. Обрано форму вихідної пресовки з компенсатором. Отримано аналітичні вираження для розрахунку сферичного компенсатора. Виконано порівняння з залежностями, отриманими експериментально. Погрішність складає не більш 9%.

Дослідження розподілу інтенсивності напружень, гідростатичного тиску, інтенсивності деформацій, швидкості деформацій, температури й щільності при видавлюванні з коефіцієнтом витяжки 16,8 показали, що наявність компенсатора призводить до незначного збільшення гідростатичного тиску в перетині, що прилягає до пуансона, і усуненню утяжини (рис. 4). Щільність складає 8,89-8,91 г/см3.

Виконано оцінку умов роботи матриці при прямому видавлюванні волокнових пресовок при =16,8. Визначено небезпечний переріз у місці переходу від робочої ділянки матриці до циліндричної вихідної ділянки. Однак виникаючі в ньому напруження й деформації не перевищують границі текучості й відносного подовження для даних умов деформування.

Запропоновано залежність стійкості матриці від найбільшої деформації на поверхні:

,

де - найбільша інтенсивність деформацій; - відносне звуження; - границя витривалості; - модуль пружності.

Розв'язано задачу з визначення сили видавлювання волокнових пресовок. Для одержання функціональних залежностей сили видавлювання при різних коефіцієнтах витяжки виконана апроксимація залежності інтенсивності напружень по перерізу зразка поліномами другого ступеня, на підставі яких отримана узагальнена формула для визначення сили видавлювання:

s,

де - радіус виробу; - коефіцієнт витяжки.

Перевірка результатів визначення сили видавлювання виконана з використанням наближених рівнянь рівноваги й умови пластичності, на основі яких у роботах М.В. Сторожева отримана залежність тиску при видавлюванні. Виконано порівняння розрахункових даних за запропонованим вираженням і формулою, запропонованою М.В. Сторожевим. Відносна погрішність склала 12%.

Виконано дослідження ресурсу пластичності волокнового матеріалу при =16,8. Для заданих умов деформування величина =16,8 є граничною, тому що при забезпеченні повної консолідації волокон відбувається вичерпання більшої частини ресурсу пластичності =0,55-0,62<1.

У п'ятому розділі представлено методику розрахунку й технологію виготовлення виробів з волокнового матеріалу. Технологія виготовлення мідного прутка складається з наступних операцій: підготовка волокнової шихти, холодне пресування, нагрів до 920±10°С и гаряче пряме видавлювання. Відмінність запропонованої технології у використанні вихідної пресовки з компенсатором, що усуває утяжину при видавлюванні. Діаметр прутків - 5,8-6,0 мм при припустимому відхиленні на тягнені прутки нормальної точності діаметром 6,0 мм за ГОСТ 1535 - 0,12 мм. Представлено технологію виготовлення видавлюванням мідних трубок із внутрішнім діаметром 1,0 мм із волокновой шихти. З трубчастих заготовок механічною обробкою виготовлені кінцевики для зварювання в середовищі СО2. Дослідні деталі випробувані при зварюванні корпусів запорної арматури ЗКС ДУ-50 і ЗКС ДУ-80 і зварюванні вузлів дизелів і електропоїздів при наступних режимах: =130-140 А; =19 В; =178 м/г. Встановлено, що тривалість роботи кінцевиків з міді, отриманої з відходів провідників струму, не менше, ніж тривалість роботи таких кінцевиків з міді, отриманих механічною обробкою.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі отримано нове вирішення актуальної науково-технічної задачі: удосконалення технології одержання мідних виробів із відходів провідників струму методами обробки тиском на основі експериментального дослідження холодного пресування, гарячого штампування й гарячого прямого видавлювання й комп'ютерного моделювання гарячого прямого видавлювання методом кінцевих елементів.

Основні наукові положення й практичні результати полягають у наступному:

1. Аналіз сучасного стану технологій одержання безпористих матеріалів методами обробки тиском показав, що ці методи використовуються для переробки різних видів відходів промисловості. Традиційні методи переробки брухту міді складні, недостатньо ефективні й енергоємні. Тому необхідним є створення високоефективної технології переробки брухту міді у вигляді провідників струму в напівфабрикати й вироби методами обробки тиском із властивостями не нижче, ніж у литої і деформованої міді.

2. Результати досліджень технологічних властивостей волокон, отриманих за рахунок переробки відходів мідних провідників струму, показали можливість обробки їх тиском. Встановлено механізм деформації при холодному пресуванні шихти, що складається з волокон різних розмірів (діаметр 0,5-1,3 мм, довжина 10-14 мм) який полягає в осадці, протягуванні, видавлюванні в міжволокновий простір, руйнуванні волокон. У результаті таких видів деформації досягається щільність волокнових пресовок 8,67-8,75 г/см3. Оптимальним значенням міцності для подальшої обробки волокнових пресовок є величина, що лежить у інтервалі 15-27 МПа при геометричній характеристиці шихти 5,30.

3. Визначено оптимальні режими гарячого штампування волокнових пресовок, що забезпечують одержання міді щільністю 8,90 г/см3: щільність вихідних пресовок 8,75 г/см3, тиск штампування 278 МПа, температура нагрівання 920°С. Встановлено, що механічні властивості такої міді набагато нижче, ніж властивості міді, що одержується за традиційною технологією. Показано, що холодна деформація осадкою забезпечує повну консолідацію волокон і одержання властивостей на рівні властивостей пруткової міді, отриманою обробкою тиском литих заготовок.

4. Встановлено, що бездефектний мідний пруток можна одержати гарячим прямим видавлюванням пористої волокновой пресовки. Технологія видавлювання полягає в одержанні вихідної волокнової пресовки щільністю 8,62 г/см3 зі сферичним компенсатором з одного торця і сферичною порожниною таких же розмірів з іншого торця, нагріванні такої пресовки при температурі 920°С в середовищі синтез-газу, прямому видавлюванні при цій температурі з коефіцієнтом витяжки 16,8. Така технологія забезпечує одержання міді з властивостями, відповідними вимогам стандарту на пруткову мідь.

5. Встановлено, що напружено-деформований стан і температурні поля при гарячому прямому видавлюванні волокнової пресовки цілком визначаються коефіцієнтом витяжки. При коефіцієнті витяжки =16,8 за рахунок високого гідростатичного тиску в межах 1050-1380 МПа отримано компактний мідний матеріал, що має величину дотичного напруження, яка перевищує критичне напруження зсуву, що свідчить про повну консолідацію волокон. Отримано аналітичні залежності для визначення розмірів вихідної пресовки з компенсатором, що враховують об`єм утяжини. Наявність компенсатора, розташованого по осі пресовки, призвела до збільшення інтенсивності напружень і деформацій і забезпечила усунення утяжини. Виконано порівняння з залежностями, отриманими експериментально. При цьому результати різних методик визначення розмірів компенсатора відповідають один одному з погрішністю не більш 9%.

6. Вивчено напружено-деформований стан і температурне поле матриці при прямому видавлюванні волокнової пресовки. Встановлено небезпечний переріз у матриці в місці переходу від циліндричної до робочої ділянки. Величина напружень не перевищує умовну границю текучості, величина деформації менше відносного подовження, температура нижче температури фазових перетворень. Запропоновано вираження для наближеного розрахунку стійкості матриці. Стійкість матриці обмежена стійкістю її робочої ділянки, на якій виникають найбільші деформації 0,16%, і складає 2277 штук мідних прутків, отриманих прямим видавлюванням волокнових пресовок з коефіцієнтом витяжки 16,8.

7. Виконано оцінку сили прямого видавлювання на основі апроксимації залежності інтенсивності напружень по перетину зразка при різних коефіцієнтах витяжки. Отримано вираження для визначення сили видавлювання в залежності від розмірів пресовки й коефіцієнта витяжки. При радіусі сферичного компенсатора на волокновій пресовці 11,85 мм, коефіцієнті витяжки 16,8 сила видавлювання складає 370 кН. Виконано порівняння розрахункових даних за запропонованим вираженням і формулою, запропонованою М.В. Сторожевим. Відносна погрішність склала 12%.

8. Аналіз ресурсу пластичності точок, розташованих на осі пресовки в процесі проходження їх через середовище деформації при коефіцієнті витяжки 16,8 показав, що для заданих умов деформування ця величина є граничною, що забезпечує повну консолідацію волокон, при якій відбувається вичерпання більшої частини ресурсу пластичності =0,55-0,62<1. При гарячому прямому видавлюванні поверхня, що характеризує інтенсивність деформацій точок волокнової пресовки, не перетинається з поверхнею граничних деформацій.

9. На підставі виконаних досліджень розроблена методика розрахунку й технологія виготовлення мідного прутка й мідної трубки з волокнової шихти, отриманої з відходів провідників струму. Технологія складається з наступних операцій: підготовка волокновой шихти, холодне пресування волокнової пресовки з компенсатором, нагрівання до 920±10°С и гаряче пряме видавлювання. Розроблена технологія забезпечує зниження числа операцій, трудових і енергетичних витрат у порівнянні з металургійним переділом. Спроектовано оснащення для виготовлення пресовок і видавлювання прутків і трубок. Розроблено конструкцію прохідної печі для нагрівання пресовок. Діаметр прутків - 5,8-6,0 мм при припустимому відхиленні на тягнені прутки нормальної точності діаметром 6,0 мм за ГОСТ 1535 - 0,12 мм. Виготовлено дослідні зразки трубок із внутрішнім діаметром 1,0 мм.

10. Розроблена технологія виготовлення трубок використана для одержання заготовок під наступну механічну обробку кінцевиків для зварювання в середовищі СО2. Дослідні деталі випробувані при зварюванні корпусів запорної арматури ЗКС ДУ-50 і ЗКС ДУ-80 і зварюванні вузлів дизелів і електропоїздів при наступних режимах: =130-140 А; =19 В; =178 м/г. Встановлено, що тривалість роботи кінцевиків з міді, отриманої з відходів провідників струму, не менше, ніж тривалість роботи таких кінцевиків з міді, отриманої литвом.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Рябичева Л.А. Технологические свойства волокон меди, полученных переработкой лома проводников тока / Л.А. Рябичева, А.Т. Цыркин, А.П. Скляр // Вестник ДГМА. - 2006. - №2. - С. 54-58.

2. Рябичева Л.А. Закономерности холодного прессования волокон, полученных из отходов медных проводников тока / Л.А. Рябичева, А.Т. Цыркин, А.П. Скляр // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2007. - №2 (4). - С. 123-127.

3. Скляр А.П. Механизмы деформирования медных волокон при прессовании / А.П. Скляр // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. 2007. - №7 (113), Ч.1. - С. 45-49.

4. Рябичева Л.А. Влияние условий горячей штамповки на структуру и свойства меди высокой плотности / Л.А. Рябичева, А.П. Скляр // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА. - 2007. - С. 122-124.

5. Рябичева Л.А. Технология получения и свойства прессовок на основе меди / Л.А. Рябичева, А.Т. Цыркин, А.П. Скляр // Порошковая металлургия. - 2008. - №7/8. - С. 53-59.

6. Рябичева Л.А. Моделирование технологии изготовления высокоплотной меди из пористой волокновой заготовки / Л.А. Рябичева, Д.А. Усатюк, А.П. Скляр // Обработка материалов давлением: Сб. науч. тр. - Краматорск: 2008. - №1 (19) - С. 50-54.

7. Скляр А.П. Получение прутков из волокновой шихты обработкой давлением / А.П. Скляр // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: 3б. наук. пр. - Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2008. - С. 87-92.

8. Рябичева Л.А. Экспериментальное исследование прямого выдавливания медных волокновых прессовок / Л.А. Рябичева, А.П. Скляр // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. 2008. - №6 (124), Ч.1. - С. 39-43.

9. Рябичева Л.А. Влияние скорости деформации на плотность волокнового материала при горячем деформировании / Л.А. Рябичева, А.П. Скляр // Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов. Москва, 17-18 сентября 2006 г. - М.: МИСиС, 2006. - С. 45.

10. Пат. № 78946 Україна, МПК В22F 3/02. 3/22, 5/10. Спосіб виготовлення порошкових виробів з малими отворами та пристрій для його здійснення / Рябічева Л.О., Циркін А.Т, Скляр О.П. [та інш.]; заявник та власник Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля. - №2602309; заявл. 02.03.2006; опубл. 25.04.07, Бюл. №5.

11. Пат. № 25349 Україна, МПК C22F 1/08 Спосіб одержання міді з брухту мідних провідників струму / Рябічева Л.О., Скляр О.П., Циркін А.Т.; заявник та власник Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля. - №200702207; заявл. 01.03.2007; опубл. 10.08.2007, Бюл. № 12.

12. Пат. № 31433 Україна, МПК В22F 3/10 Піч для нагрівання заготовок / Рябічева Л.О., Циркін А.Т., Скляр О.П., Гапонова О.П., Гончаров М.В.; заявник та власник Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля. - №200713235; заявл. 28.11.2007; опубл. 10.04.2008, Бюл. № 7.

13. Пат. № 34363 Україна, МПК B22F 3/02 Спосіб пресування виробів із пористих заготовок / Рябічева Л.О., Циркін А.Т., Усатюк Д.А., Скляр О.П., Рябовол Т.О.; заявник та власник Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля. - №2008 02724; заявл. 03.03.2008; опубл. 11.08.2008, Бюл. № 15.

АНОТАЦІЯ

Скляр О.П. Удосконалення технології виготовлення мідних виробів з волокнового матеріалу методами обробки тиском. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - процеси і машини обробки тиском. Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2009.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-технічної задачі створення ефективної технології, що забезпечує одержання обробкою тиском мідних виробів з відходів провідників струму з властивостями, які відповідають властивостям міді, отриманої деформуванням литих заготовок.

У дисертації досліджено технологічні властивості волокнової шихти, яка отримана із відходів провідників струму. Показано, що шихта може оброблюватися тиском. Вивчено операцію пресування волокнової шихти, механізми деформування волокон, структуру та властивості пресовок. Досліджено вплив параметрів гарячого штампування на структуру та властивості мідних прутків. Показано, що гаряче штампування забезпечує високу щільність матеріалу, але не забезпечує одержання необхідних механічних властивостей. Досліджено вплив параметрів гарячого прямого видавлювання на фізико-механічні характеристики мідних прутків. Виконано вибір оптимальної форми вихідної пресовки, яка забезпечує одержання прутків без утяжин. Комп`терне моделювання за допомогою методу кінцевих елементів дало можливість виконати аналіз напружено-деформованого стану та розподілу щільності і температури при прямому видавлюванні мідних прутків. Показано, що висока щільність матеріалу отримана за рахунок високого гідростатичного тиску. Виконано аналіз ресурсу пластичності отриманого матеріалу та сили видавлювання. Розроблено технологію та оснащення для виготовлення мідних прутків та трубок. Мідна трубка, яка одержана із відходів провідників струму, використана для отримання заготовок під механічну обробку кінцевиків для зварювання в середовищі вуглекислого газу.

Ключові слова: відходи мідних провідників струму, волокнова шихта, пресування, гаряче штампування, гаряче пряме видавлювання, напруження, деформації, тиск, гідростатичний тиск, щільність, механічні властивості, метод кінцевих елементів, сила видавлювання, стійкість матриці.

Скляр А.П. Совершенствование технологии изготовления медных изделий из волокнового материала методами обработки давлением. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - процессы и машины обработки давлением. Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2009.

Диссертационная работа посвящена решению научно-технической задачи создания эффективной технологии, обеспечивающей изготовление обработкой давлением медных изделий из отходов проводников тока со свойствами, которые отвечают свойствам меди, полученной деформированием литых заготовок.

В диссертации исследованы технологические свойства волокновой шихты, полученной из отходов медных проводников тока. Показано, что шихта может обрабатываться давлением. Изучена операция прессования волокновой шихты, механизмы деформирования волокон, структура и свойства прессовок. Исследовано влияние параметров горячей штамповки на структуру и свойства медных прутков. Показано, что горячая штамповка обеспечивает высокую плотность материала, но не обеспечивает получение необходимых механических свойств. Исследовано влияние параметров горячего прямого выдавливания на физико-механические характеристики медных прутков. Выполнен выбор оптимальной формы исходной прессовки, с помощью которой можно получить прутки без утяжин. Компьютерное моделирование методом конечных элементов позволило выполнить анализ напряженно-деформированного состояния, распределения плотности и температуры при прямом выдавливании медных прутков. Показано, что высокая плотность материала получена за счет высокого гидростатического давления. Выполнен анализ ресурса пластичности полученного материала и силы выдавливания. Разработана технология и оснастка по изготовлению медных прутков и трубок. Медная трубка, которая получена из отходов проводников тока, использована для изготовления заготовок под последующую механическую обработку наконечников для сварки в среде углекислого газа.

Ключевые слова: отходы медных проводников тока, волокновая шихта, прессование, горячая штамповка, горячее прямое выдавливание, напряжение, деформации, давление, гидростатическое давление, плотность, механические свойства, метод конечных элементов, сила выдавливания, стойкость матрицы.

Sklyar О.P. Improvement of the production technology of copper products from fibrous material by metal forming techniques. - The manuscript.

The thesis as the manuscript on competition of a scientific degree of Candіdate of Technical Science on a speciality 05.03.05 - Processes and machines of processing by pressure. - Volodymyr Dal East Ukrainian National University, Lugansk, 2009.

The thesis is devoted to solving of the scientific and technical tasks of the effective technology development, which ensures the production of copper products by metal forming from wastes of current conductors with properties that are in compliance with properties of copper obtained by deforming of cast billets.

In this thesis, the technological properties of fibrous stock produced from wastes of copper current conductors have been investigated. It was established a possibility of processing the stock by metal forming. The pressing operation of fibrous stock, mechanisms of deforming of fibers, structure and properties of pressings have been investigated. The influence of hot stamping parameters on the structure and properties of copper rods has been investigated. It was established that hot stamping ensures high density of material, but does not ensure achievement of necessary mechanical properties. The influence of parameters of direct hot extrusion to physico-mechanical characteristics of copper rods has been investigated. The selection of the optimal shape of initial pressing that ensures fabrication of rods without tightenings has been done. Computer modelling by finite element method gave an opportunity to provide analysis of strain-stress state, the distribution of density and temperature during the direct extrusion of copper rods. It was established, that high density of material had been obtained at the expense of high hydrostatic pressure. The analysis of plasticity resource and extrusion force has been conducted. The technology and tool set for production of copper rods and tubes. A copper tube has been produced from wastes of current conductors used for production of billets for following machining of tips for carbon-dioxide-shielded welding.

Key words: wastes of copper current conductors, fibrous stock, pressing, hot stamping, direct hot extrusion, stress, deformations, pressure, hydrostatic pressure, density, mechanical properties, finite element method, extrusion force, durability of die.

Размещено на Allbest.ru