CC BY
11
УДК 621.973.001
ДОЗИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ УДАРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗ СТРУЖКИ БРИКЕТОВ ЗАРАНЕЕ НАЗНАЧЕННОЙ ПЛОТНОСТИ
И.А. Чечета, А.Е. Чечета
Показано, что заранее назначенная плотность брикетов, получаемых из металлической стружки высокоскоростным ударом, предопределяется исключительно соблюдением условия о равенстве величин истинной относительной деформации материала стружки и назначенной плотности создаваемого брикета. Упомянутое условие обусловлено сущностью полученного авторами патента на изобретение [4], патентообладателем которого является Воронежский государственный технический университет. Материалы названного патента в совокупности с материалами авторского свидетельства [3], полученного ранее и касающегося дозирования энергии для динамического деформирования образцов из сплошного материала, определили возможность вычислять не только количество требуемой энергии для создания брикета с заранее назначенной плотностью, но и уровень температуры, сопровождающей удар в процессе брикетирования. В свою очередь, в любом случае наличие удара обеспечило необходимость рассматривать процесс динамического деформирования как сложную многозвенную систему, способную к развитию и совершенствованию. В качестве основных составляющих этой системы представилось необходимым выделить три подсистемы: материал, энергия и техническое окружение, в котором реализуется взаимодействие между материалом и вводимой энергией. При этом принято во внимание, что сущность технического окружения проявляется тем или иным свойством материи: силовым полем, магнетизмом, температурой, интервалом времени, положительным или отрицательным катализатором
Ключевые слова: энергия, истинная относительная деформация, пористость
Введение. Исследованием приемов дозирования энергии при импульсном брикетировании металлической стружки наиболее обстоятельно занимались учёные Харьковского авиационного института [1, 2]. Сущность дозирования сведена к тому, что экспериментально варьируют величину заряда горючей газовой смеси. Газообразные продукты сгорания этой смеси преобразуют свою работу расширения в кинетическую энергию массы, наносящей удар. Измеряют начальную скорость удара и определяют пористость получаемого брикета. В назначенном диапазоне скорости наносят серию ударов. Этим накапливают базу данных, достаточную для составления графической зависимости между энергией удара и пористостью получаемых брикетов. Строят график и по нему определяют ту величину энергии, которая обеспечивает получение брикета с требуемой пористостью. Основные недостатки изложенного способа дозирования энергии брикетирующего удара следующие.
1) Сначала создают конструкцию брикети-ровочной машины, изготовляют её, потом экспериментально выявляют энергетические и технологические возможности этой машины и, наконец, выбирают ту скорость удара (и величину энергии, соответственно), при которой образуется требуемая пористость брикета.
Чечета Иван Алексеевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8(473) 222-53-85
Чечета Антон Евгеньевич - АО «Концерн «Созвездие», инженер, тел. 8(473) 272-26-77
2) Нет ответа на вопрос, как создавать работоспособные конструктивные силопередаю-щие элементы машины, предназначенные для передачи удара, если отсутствует предварительно необходимая информация о величине динамических напряжений и сил, неизбежно возникающих под действием брикетирующего удара. Затем стал известным способ дозирования энергии для тарирования динамического воздействия на стандартные цилиндрические объекты (образцы) из сплошного материала [3]. Здесь сущность дозирования энергии для динамического деформирования (осаживания) цилиндрических образцов из сплошного материала состоит в следующем. На стандартный цилиндрический образец из сплошного материала оказывают ряд действий: наносят удар, фиксируют мгновенную скорость соударяющихся тел известной массы, определяют кинетическую энергию удара, а также - объём пластически деформируемого объекта и величину его истинной относительной деформации (е), вычисляют величину удельной энергии (еуд), то есть количество энергии, приходящейся на величину объёма деформируемого объекта. В результате находят, что величина возникающего в материале динамического напряжения (от) равна частному от деления удельной энергии еуд на истинную относительную деформацию е:
от = еуд / е . (1)
1. Формирование брикета. Если на линии удара расположить дозированный объём стружки из того же материала, а боковые поверхности этого объёма жестко ограничить (см. рисунок), то истинная относительная деформация £ по высоте получаемого брикета предопределяется исключительно изменением степени а пористости брикета. То есть, безразмерные величины £ и а становятся эквивалентами между собой. Тогда из сопоставления удельной энергии сплошного материала
= Е/¥
(2)
и удельной энергией стружечного брикета
еуд.бр = Е / а V (3)
следует, что
еуд.бр = от . (4)
Здесь от вычислена по уравнению (1); а -степень пористости брикета; Е = 0,5Му2 -энергия удара;
V - скорость удара, аV- объём деформируемой стружки.
Схема импульсного брикетирования стружки: 1 - стружка; 2 - контейнер; 3 - пуансон; 4 - камера для сжигания заряда (имеющаяся жесткая связь между узлами 2 и 4 не показана)
Процесс брикетирования должен состоять из следующих основных этапов. Предназначенную для брикетирования стружку дробят, очищают с промывкой, сушат, термически обрабатывают для снятия наклёпа, полученного в процессе стружкообразования, и выборочно элементы стружки проверяют на твердость, формируя этим усредненное представление о твёрдости стружечного материала.
Затем из сплошного металла, такого же, как и стружечный металл, при такой же его твёрдости изготовляют стандартизованные объекты - цилиндрические образцы для динамических испытаний на сжатие. По результатам испытаний определяют динамическое напряжение от, последовательно нанося на каждый такой образец удары с диапазоном скорости, соответствующим диапазону скоростей намечаемого импульсного брикетирования.
По результатам этого исследования составляют график «еуд - £», на основании которого находят динамическое напряжение от, возникающее в сплошном пластически деформируемом материале {см. уравнение (1)}.
После этого в контейнере 2 (см. рисунок) соосно с линией удара располагают дозированный объём подготовленной стружки. Боковые поверхности
контейнера жестко ограничивают стружку цилиндрической поверхностью, как показано на рисунке. Этим обеспечивают условие, при котором истинная относительная деформация £ брикета по его длине предопределяется исключительно изменением степени а пористости получаемого брикета. Соответственно, это является основанием для сопоставления значений удельной энергии еуд сплошного материала и удельной энергии еудбр брикета {см. уравнение
(4)}.
Перечисленными действиями обоснован новый способ дозирования энергии для изготовления брикетов заданной пористости [4].
2. Выделение теплоты при брикетировании. Процесс пластического деформирования под воздействием удара сопровождается выделением тепла из-за появления сил внутреннего и внешнего трения в обрабатываемом объекте. Соотношение между этими силами существенно зависит от реализуемой схемы напряженно-деформированного состояния обрабатываемого материала и конструкции штампового инструмента. Но в любом случае при высокоскоростном ударе преобладает количество тепла, предопределяемого внутренним трением. При этом возникающая температура бывает достаточно высокой. Так, холодная динамическая осадка (в условиях комнатной температуры) цилиндрических образцов из магниевых сплавов при скорости удара порядка 40 м/с сопровождается воспламенением кромок образца и их оплавлением.
Это послужило основанием разработанной методики для определения прироста температуры Т по аналогии с анализом свободной осесимметричной осадки цилиндрических образцов [5]. В результате уравнение теплопроводности для одноосной системы нагружения при динамическом брикетировании стружки получает вид:
р С dT/ dt = - А а о V / И. (5)
В этом уравнении: р - плотность обрабатываемого материала; С - коэффициент удельной теплоёмкости;
Т - температура, изменяющаяся при ударе; t - текущее время;
А = 1/427 - термический эквивалент работы; а - степень пористости получаемого брикета; о - напряжение в деформируемом теле; V - мгновенная скорость соударяющихся масс; h - текущая высота брикета.
С учётом того, что в каждый момент времени мгновенная скорость V = dh / Л, уравнение (5) получает вид:
dT = (А а о/ рС) *(dh /И). (6) Интегрирование уравнения (6) в пределах от Т0 до Т и от И0 до И приводит к уравнению для вычисления температуры Т, возникающей в брикете в зависимости от начальной температуры Т0 и степени деформации брикета при конкретной степени его пористости а:
Т = То + [А а о х1п(Ьо/ И)] / рС. (7) Так как е = 1п(И0/ И)] - истинная относительная деформация, Е0 = 0,5М v02 - номинальная энергия удара, v0 - начальная скорость удара, М - приведенная энергетически активная масса, еуд.бр = Е0 /а¥ - удельная энергия брикетирования; аV - объём брикета, то уравнение (7) получает вид:
Т = Т0+А аМ vо2/2 рС V. (8)
В результате, на основании измеренной скорости v0, известной величины массы М, заданной степени пористости и объёма брикета, есть возможность получать представление о требуемом количестве вводимой энергии и о максимальной величине температуры, которая возникает к концу удара.
3. Техническое окружение в технологических процессах. Технико-экономический анализ технологических процессов, ориентированных на создание изделий из конструкционных материалов, ведут, как правило, исходя из затрат на материал, инструмент, энергию, производственную площадь, заработную плату основного рабочего. Однако такой анализ не формирует прямых необходимых и достаточных предпосылок для создания объектов (изделий) с новым уровнем свойств. Это явилось основанием для того, чтобы технологический процесс в целом рассматривать как сложную многозвенную систему, способную к развитию и совершенствованию. Тогда в этой системе представляется необходимым и возможным выделить в числе основных такие подсистемы, как материал, энергия и техническое окружение, в котором реализуется взаимодействие между материалом и вводимой в систему энергией.
При указанном выделении основных подсистем формирование нового эффективного технологического процесса связано с подробным анализом исходного материала, выбором вида энергии, а также с выявлением условий и характера технического окружения, достаточного для реализации проектируемого технологического процесса.
Краткая характеристика перечисленных подсистем сводится к следующему.
Подсистема «материал». В современном машиностроении исходным полуфабрикатом (заготовкой) для изготовляемой детали может быть твёрдое тело в виде слитка или профилированной продукции металлургического производства, в том числе и в виде расплава; порошкообразное тело; комбинации различных компонент типа порошок+жидкость, порошок+газ, жидкость+газ и др. Всё это говорит о том, что подсистема «материал» представляет собой многофакторную составляющую системы «технология».
Подсистема «энергия». Традиционно доминирующим источником энергии является электричество для привода станков. Затем характерной особенностью технологических процессов явились многократные и многообразные переходы вводимой энергии из одного вида в другой. Так, при использовании для высокоскоростной штамповки энергоносителя в виде перекиси водорода возможны следующие этапы преобразования энергии. На первом этапе продуктом разложения перекиси является паро-газ среднего давления в виде смеси кислорода с водным паром. Впрыск, например, этилового спирта сопровождается самовоспламенением и образованием газа при высоких значениях давления и температуры. Работа расширения этого газа может быть непосредственно преобразованной в работу деформации обрабатываемой заготовки, либо переданной бойку, кинетическая энергия которого затем преобразуется в работу деформации.
Подсистема "техническое окружение". По своей сути техническое окружение является необходимым и достаточным условием реализации любого технологического процесса и выступает в виде его своеобразной инфраструктуры. Анализ известных технологических процессов показывает, что техническое окружение предопределяется как конкретным явлением, так и материальным веществом или предметом, а сущность технического окружения проявляется тем или иным свойством материи: силовым полем, магнетизмом, температу-
рой, интервалом времени, положительным или отрицательным катализатором. Так, например, сущность прогрессивного процесса термоимпульсного удаления заусенцев, образующихся на пересечениях поверхностей при обработке резанием, состоит в том, что деталь с заусенцами помещают в герметизируемую камеру и сжигают там заряд горючей газовой смеси. Возникающий фронт пламени, омывая деталь, сжигает заусенцы. Но, как правило, горючая смесь сгорает быстрее, чем успевают заусенцы разогреться до температуры своего воспламенения: здесь временной период несоответствия скоростей указывает на отсутствие технического окружения, необходимого для реализации термоимпульсного процесса. Таким окружением является вводимый в камеру сгорания отрицательный катализатор, сдерживающий темп горения топливной смеси (например, дополнительно вводимый в камеру сгорания азот).
При магнитно-импульсной штамповке техническим окружением являются условия для возникновения вихревых токов, то есть высокая электропроводность заготовки. Если электропроводность мала, что характерно для углеродистых и нержавеющих сталей, то на поверхность заготовки со стороны индуктора укладывают тонкий слой металла с высокой электропроводностью (алюминий или медь). Этим в систему вводят дополнительный элемент для
создания необходимого технического окружения.
Выводы. Изложенное даёт возможность считать, что анализ перечисленных подсистем технологических процессов и уточнение понятия о техническом окружении, в котором осуществляется передача энергии, способствуют созданию объектов (технологий) с новым уровнем свойств.
Литература
1. Определение энергетических параметров импульсной брикетировочной машины типа МИБ-165Б / Ю.М. Букин, А.С. Шалбаян, А.Н. Филянов, Д.А. Райзман // Обработка металлов давлением в машиностроении: сб. -Харьков: Изд. Харьк. ун-та, 1973. Вып. 9. С. 100-103.
2. Влияние схемы нагружения на качество брикетов / В.Г. Кононенко, А.С. Шалбаян, В.П. Божко, Д.А. Райзман// Высокоскоростная обработка металлов давлением: сб.— Харьков: Изд. ХАИ, 1974. Вып. 2. С. 120-124
3. Чечета И.А. Способ дозирования энергии для динамического деформирования цилиндрических образцов из сплошного материала. Авт. свид. СССР № 828014, М.кл. G01N 3/1. Заявл. 14.12.76, 2431582/25 - 28. Опубл. 17.05.81. Бюл. № 17.
4. Патент RU 2 527 102 C2 МПК. Способ дозирования энергии при импульсном брикетировании стружки. Опубликован 27.12.2014.Бюл.№36. Авторы: Чечета И.А., Дол-гополова В.В., Чечета А.Е. Патентообладатель ВГТУ.
5. Чечета И.А. Выделение теплоты при пластической деформации под действием удара / И.А. Чечета //Системные проблемы надёжности: материалы между-нар. конф. и Рос. науч. шк.- М.: Энергоатомиздат, 2007. Ч.2. Т. 2. С. 26-27.
Воронежский государственный технический университет АО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж
DOSING THE IMPACT ENERGY FOR OBTAINING BRIQUETS OF PREDETERMINED DENSITY FROM CUTTING CHIP
I.A. Checheta1, A.E. Checheta2
'Full Doctor, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation
ph. +7(473) 222-53-85 ^Engineer, Concern "Sozvezdie", Voronezh, Russian Federation ph. +7(473) 272-26-77
It is shown that the set density of briquettes obtained from metal chips by high-speed impact is predetermined solely by observing the condition that the values of the true relative deformation of the chip material and the density of the briquette created are equal. This condition is predetermined by the essence of the patent received by the authors for the invention [4], the patent holder of which is the Voronezh State Technical University. The materials of the patent, together with the materials of the author's certificate [3], obtained earlier, concerning the energy dosing for the dynamic deformation of samples from continuous material, predetermined the possibility to calculate not only the amount of energy required to create a specified density, but also the temperature during the impact in the process of briquetting. In turn, in any case, the presence of a blow predetermined the need to consider the process of dynamic deformation as a complex multi-tiered system capable of development and improvement. As the basic components of this system, it seemed necessary to distinguish three subsystems: material, energy and technical environment, in which interaction between the material and the energy introduced is realized. At the same time it is taken into account that the essence of the technical environment is manifested by some property of the matter: the force field, magnetism, temperature, time interval, positive or negative catalyst
Key words: energy, true relative deformation, porosity
References
1. Bukin Y.M., Shalbayan A. F., Filyanov A.N., Rayzman D.A. "Determination of the energy parameters of a pulsed briquetting machine MIB-165B", Processing of metals by pressure in mechanical engineering (Obrabotka metallov davleniem v mashi-nostroenii), Kharkov, 1973, vol. 9, pp. 100 - 103
2. Cononenco V.G., Shalbayan A.F., Bozhko V.P., Rayzman D.A. "Influence of the loading scheme on the quality of briquettes", High-speed metal forming (Vysokoskorostnaya obrabotka metallov davleniem) Kharkov, 1974, vol.2, pp. 120 - 124
3. Checheta I.A. "Method of energy metering for dynamic deformation of cylindrical samples from continuous material" ("Sposob dozirovaniya energii dlya dinamicheskogo deformirovaniya tsilindricheskikh obraztsov iz sploshnogo materiala"), author's certificate of USSR no. 828014, 1981
4. Checheta I.A. "Method of energy dosing with pulsed briquetting of chips" ("Sposob dozirovaniya energii pri impul'snom briketirovanii struzhki"), patent RU 2 527 102 C2 MPK, 2014
5. Checheta I.A. "Heat release during plastic deformation under impact", Proc. of Intern. Conf. and Russ. Scientific school "Systemic problems of reliability..." (Sb. «Sistemnye problemy nadozhnosti...». Materialy mezhdunar. konf. i Ros. nauchnaya shk), Moscow, Energoatomizdat, 2007, part 2, vol.2, pp. 26-27
