CC BY
41
Раздел 2. Технология машиностроения и материалы.
Рисунок 2 - Динамическая конечно-элементная модель образца
Экологическое проектирование автомобильных литых конструкций на основе инновационного способа определения динамических модуля упругости Юнга и коэффициента Пуассона
д.т.н. проф. Нюнин Б.Н., д.т.н. проф. Графкина М.В.
МГТУ «МАМИ» 8 (495) 223-05-23 доб. 1313, eco@mami.ru
Аннотация. На основе разработанных инновационных методов экологического проектирования и определения физико-механических характеристик литейных конструкций (патент № 2431819 от 20.10.2011 Бюл. № 29) впервые получены конструкции с заданными физико-механическими характеристиками, обеспечивающие минимальное негативное воздействие на окружающую среду в жизненном цикле.
Ключевые слова: экологическое проектирование, физико-механические характеристики материалов, модуль Юнга, коэффициент Пуассона.
Экологическое проектирование требует рассмотрения биосферных процессов и всех стадий жизненного цикла создаваемых конструкций не как изолированных друг от друга событий, а как элементов общей системы, т.е. глубоко интегрировано. При таком подходе любая конструкция оказывает влияние на процессы природопользования и качество окружающей среды. Исследование показателей жизненного цикла конструкций и импликативных связей параметров проектируемой системы с частными экологическими показателями делает возможным минимизировать негативные процессы в окружающей среде.
В настоящее время наиболее полно исследованы возможности повышения экологической безопасности конструкций на этапе их эксплуатации. В то же время получение матери-
Раздел 2. Технология машиностроения и материалы. альных и энергетических ресурсов, переработка сырья и производство конструкционных материалов является первой стадией жизненного цикла любой системы. На этом этапе жизненного цикла любая конструкция впрямую взаимодействует с окружающей средой и оказывает на нее мощное техногенное воздействие.
Конструкторы в настоящее время при выборе материалов ориентированы на их физические, эксплуатационные и технологические характеристики, которые определяют качество и технологичность проектируемой конструкции, а также на стоимостные показатели. Конструкционные материалы во многом определяют функциональные и технические показатели (прочность, износостойкость, электропроводность, магнитную проницаемость, виброакустические характеристики, внешний вид проектируемых систем и др.). Экологические требования к конструкционным материалам не отменяют всех предыдущих требований, они дополняют их с целью снижения негативного воздействия и сохранения природных ресурсов с учетом жизненного цикла.
Надежность расчетов прочностных характеристик автомобильных литых конструкций во многом зависит от точности математических динамических моделей, описывающих их поведение в реальных условиях эксплуатации, и во многом определяется исходными данными материалов и сплавов, которые закладываются в расчеты (модуль Юнга, коэффициент Пуассона, плотность). Поэтому разработка инновационных методов определения физико-механических характеристик материалов является весьма актуальной задачей как с позиций экологии, так и повышения надежности прочностных расчетов.
Существующие способы определения статического модуля упругости Юнга (Авторское свидетельство СССР №954850, МПК G 01 N 3/08, 1982; Авторское свидетельство СССР № 957054, МПК G 01 N 3/42, 1982; патент РФ № 2292029, МПК G01N3/08, 2006), ГОСТ 2509582 «Метод определения модуля упругости (модуля Юнга)» не предназначены для определения динамических: модуля упругости Юнга и коэффициента Пуассона. Эти способы не учитывают также влияния технологии изготовления стержневых литых деталей и их химического состава на значения интегральных динамических показателей сплавов. Поэтому исследования были сосредоточены на выявлении влияния технологии изготовления стержневых литых деталей и их химического состава на динамические характеристики сплавов и способа их определения.
Инновация данного подхода заключается в том, что динамический модуль упругости Юнга и коэффициент Пуассона берутся не из известных справочных данных, а определяются по образцу, максимально соответствующему конструкции, технологии изготовления и химическому составу реальной детали (патент № 2431819 от 20.10.2011 Бюл. № 29). Поставленная задача решается расчетно-экспериментальным способом.
Динамические модуль упругости Юнга и коэффициент Пуассона определяют в следующей последовательности:
1. Выбирают форму образца в виде толстостенного кольца.
2. Образец изготавливают с применение формовочных смесей и режимов заливки в соответствии с технологией изготовления реальной литой конструкции.
3. Образец подвешивают через центральное отверстие на упругой подвеске 2 (резиновый шнур), подобная упругая подвеска практически не оказывает влияния на резонансные формы колебаний образца, а колебания возбуждают путем импульсного силового воздействия ударами молотка 3 (по крайней мере 10 ударов) последовательно по боковой и торцевой поверхности образца (рисунок 1).
4. Акустический сигнал от образца воспринимает микрофон 4, и через предусилитель 5 передает на анализатор (БПФ) 6, который определяет пять собственных частот (см. табл. 1).
5. По ГОСТ 20018 «Метод определения плотности» определяют экспериментальным путем реальную плотность образца с погрешностью не более 0,01г/см3..
6. Создают конечно-элементную динамическую модель образца в виде толстостенного
Раздел 2. Технология машиностроения и материалы.
кольца (рисунок 2, где 7 - i-ый конечный элемент) исходными данными которой являются:
• геометрические размеры образца, уточненные после его отливки;
• экспериментально по ГОСТ 20018 полученная плотность образца;
• табличные значения модуля упругости Юнга и коэффициента Пуассона для сплава. 7. Рассчитывают, по крайней мере, пять форм и пять собственных частот колебаний образца
и методом аппроксимации, в заданных диапазонах изменения значений модуля упругости Юнга и коэффициента Пуассона, определяют значения динамических: модуля упругости Юнга и коэффициента Пуассона, при которых рассчитанные частоты совпадают с экспериментальными данными в пределах 0,1% (см. таблицу 1).
у у £
0'
6
Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки
Рисунок 2 - Динамическая конечно-элементная модель образца
Т
Раздел 2. Технология машиностроения и материалы.
Таблица 1.
Сравнение измеренных и рассчитанных пяти собственных частот образца при различных значениях модуля упругости Юнга и коэффициента Пуассона
Фгп К Р 0. Фгп И Р 0.
ичвские змррено ас чет ичвские змвреис ас чет ^■ЩШл,
параметры параметры щ
1 2 3 4 5 6 7 8
м. 2 2 1. м. 2 2 0.
Юнга Щ 615 38% Юнге 678 669 34%
ш 3 3 1. 1.06 3 3 1.
Шш 357 294 91%' 00ЕНИ5 395 347 43%'
к. 4 4 0. к. 4 4 0.
Пчуассот 379 378 02% Пуассона 438 437 02%
0.33 5 5 - 0.34 5 5 -
64 438 489 0.02% 46 543 547 0.07%
гио 5 5 - гио 5 5 -
тшсть 491 908 7.06% ТЙЭСТЪ 548 963 6 96%
8.70 8.70
8Е-06 8Е-06
1 2 3 4 5 6 7 8
м. 2 2 0 м. 2 2 1
Юнга 662 642 .98% Юнга 654 615 .49%
1.04 3 3 1 1.03 3 3 1
70Е+05 380 320 .81% 90Е+05 359 294 .97%
к. 4 4 0 к. 4 4 -
Пуассона 413 408 .11% Пуассона 377 378 0.02%
0.34 5 5 0 0.33 5 5 0
03 524 519 .09% 28 491 439 .04%
1С10Т 5 5 - 1С10Т 5 5 -
ностъ 8.70 524 937 6.96% ностъ 8.70 498 908 6.94%
8Е-06 8Е-06
1 2 3 4 5 6 7 8
к 2 2 0 к 2 2 0
Юнга 684 669 .56% Юнга 615 615 жй:.
1.08 3 3 1 1.05 3 3 1
ШЗЕЩ 399 347 .55% шЩ 327 294 .00%
к 4 4 0 к 4 4 0
Пуассона. 437 437 .00% Пуассона. 379 378 .02$: .
0.33 5 5 0 0.37 5 5 -
87 556 547 .16% плот 403 439 1.57%
югтот 5 5 ностъ 5 5
ностъ 8.70 557 963 6.81% 8.70 8Е-06 432 908 8.06%
8Е06
Полученные таким способом значения динамического модуля упругости Юнга и динамического коэффициента Пуассона используются в динамических математических моделях при разработке компьютерной технологии проектирования литых конструкций (картер двигателя автомобиля, блок цилиндров, клапанные крышки и др.) с заданными физико-механическими характеристикам, что приводит к сокращению материальных затрат на стадии НИОКР. Достоверность результатов математического моделирования с использованием инновационного способа подтверждена при проектировании литых деталей.
Экологическая эффективность данного подхода выражается в ресурсо- и энергосбережении; снижении материальных потоков на входе и выходе в продукционные системы; уточнении массовых характеристик изделия; исключении дополнительных технологических операций по доводке; оптимизации химического состава с учетом негативного воздействия исходных материалов в жизненном цикле.
Раздел 2. Технология машиностроения и материалы.
На примере проектирования литых конструкций из оловянистой бронзы показано, что использование методов экологического проектирования и инновационных методов определения физико-механических характеристик материалов позволило исключить дополнительную доводку образца, снизить вес конструкции и негативное воздействие на окружающую среду.
При годовом выпуске литых конструкций из оловянистой бронзы в 70 тонн в печах сопротивления типа СМБ сокращение негативных выбросов в атмосферу составило по:
• пыли 3 кг;
• оксиду углерода 1 кг;
• оксидам азота 1,5 кг;
• прочим выбросам 0,6 кг.
Таким образом, на основе разработанных инновационных методов экологического проектирования и определения физико-механических характеристик литейных конструкций (патент № 2431819 от 20.10.2011 Бюл. № 29) впервые получены конструкции с заданными физико-механическими характеристиками, обеспечивающие минимальное негативное воздействие на окружающую среду в жизненном цикле.
Литература
1. Нюнин Б.Н., Графкина М.В. Патент № 2431819 «Способ определения модуля упругости Юнга и коэффициента Пуассона литых деталей» от 20.10.2011 Бюл. № 29
2. Гридел Т.Е., Алленби Б.Р. Промышленная экология: Учебное пособие для вузов /Пер. с англ. под ред. проф. Э.В. Гирусова. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004. - 527 с.
3. Графкина М.В. «Экологическое проектирование продукции.» - М.: МГТУ «МАМИ», 2006.- 224 с.
Исследование коллоидно-графитовых теплозащитных покрытий для
высокоуглеродистых сталей
к. т. н. доц. Петров А. Н. МГТУ «МАМИ» 8-916-505-0754, alexander_petr@mail.ru
Аннотация. В данной статье представлены исследования и методика выбора коллоидно-графитовых покрытий для заготовок из высокоуглеродистых сталей. Приведено комплексное исследование коллоидно-графитовых покрытий. Методика оптимального выбора коллоидно-графитовых покрытий учитывает физико-химические и технологические свойства состава покрытия. Выбранные коллоидно-графитовые покрытия по предлагаемой методике нашли применение в процессах полугорячей калибровки подшипниковых колец.
Ключевые слова: горячая объемная штамповка, потеря массы при нагреве, коллоидно-графитовые покрытия, теплозащитные свойства.
В зависимости от требований технологического процесса, материала заготовки, температуры штампов и т.д. смазочные материалы могут наноситься не только на инструмент (штамп), но и на заготовку. В этом случае смазочный материал играет роль теплоизолятора (при нагреве заготовки перед штамповкой) и смазки в процессе штамповки. Известны различные составы покрытий. Например, покрытия на основе стекла успешно используют для изотермической штамповки титановых лопаток. Графитовую суспензию с добавками мела и других компонентов применяют для полугорячей штамповки колец подшипников. Смесь окиси алюминия, медных опилок и асбеста применяют для выдавливания тугоплавких металлов. В статье рассмотрено коллоидно-графитовое покрытие для полугорячей калибровки колец подшипников из стали ШХ15, функциональное назначение которого - защита от окис-
